Tipus de sistemes HVDC i configuracions MTDC
Configuracions del sistema de corrent contínua d'alta tensió (HVDC)
La corrent contínua d'alta tensió, sovint abreviada com HVDC, és un mètode altament eficient per a la transmissió de potència a llarga distància, reduint significativament les pèrdues de potència en comparació amb la transmissió tradicional d'alternant (AC). El sistema HVDC es pot implementar en diverses configuracions, cadascuna adaptada a requisits operatius específics. Aquest article proporciona una visió concisa de els principals tipus de configuracions del sistema HVDC.
Sistemes HVDC de tipus back - to - back
En una configuració HVDC de tipus back - to - back (B2B), tant el redressador com l'inversor, que són components clau del convertidor, estan allotjats dins la mateixa estació terminal. Aquests dos elements del convertidor estan connectats directament entre si de manera back - to - back. La funció principal d'aquesta configuració és connectar dos sistemes d'energia AC separats. Ho aconsegueix convertint primer la potència AC entrant en CC a través del redressador i després transformant ràpidament la potència CC de nou en AC utilitzant l'inversor.
Sistemes HVDC de tipus back - to - back (Continuació)
La configuració HVDC de tipus back - to - back es instal·la dins d'una sola sala i serveix per interconnectar dos sistemes d'energia AC asincrònics. Donada la connexió directa back - to - back del redressador i l'inversor, no hi ha necessitat d'una línia de transmissió DC. Per minimitzar el nombre de tiristors connectats en sèrie, la tensió DC intermediària es manté intencionadament a un nivell baix. Alhora, la classificació de corrent d'aquesta configuració pot arribar a diversos milers d'amperes.
Aquest tipus de sistema HVDC és particularment útil per enllaçar dos sistemes d'energia AC asincrònics en els següents escenaris:
Sistema HVDC de dos terminals
En una configuració HVDC de dos terminals, hi ha dues estacions terminal distinctes, cada una funcionant com a estació convertidora. Una estació alberga un redressador, mentre que l'altra conté un inversor. Aquests dos terminals estan connectats per mitjà d'una línia de transmissió HVDC, permetent la transmissió eficient de potència elèctrica a llarga distància. Aquesta configuració està dissenyada per superar les limitacions de la transmissió AC tradicional per a la transferència de potència a llarga distància, aprovechant les avantatges de la potència DC per minimitzar les pèrdues de potència i augmentar l'eficiència de la transmissió a través de grans àrees geogràfiques.
El sistema HVDC de dos terminals presenta una connexió directa entre dos punts sense cap línia de transmissió paral·lela o branques intermediàries a la línia de transmissió. Aquesta característica li dona el seu nom alternatiu, transmissió de potència punt a punt. És ideal per a aplicacions de subministrament d'energia entre dos llocs geogràficament distants.
Una de les avantatges notables del sistema HVDC de dos terminals és que no requereix un interruptor de circuit HVDC. En cas de manteniment o quan es neteja un defecte, es poden utilitzar els interruptors de circuit AC al costat AC per desenergitzar la línia DC. En comparació amb els interruptors de circuit DC, els interruptors de circuit AC tenen un disseny més simple i són més econòmics, fent que el sistema HVDC de dos terminals sigui més econòmic i més fàcil de mantenir.
Sistema de corrent contínua de múltiples terminals (MTDC)
El sistema de corrent contínua de múltiples terminals (MTDC) representa una configuració HVDC més complexa. Utilitza múltiples línies de transmissió per establir connexions entre més de dos punts. Aquesta configuració consta de diverses estacions terminal, cada una equipada amb el seu propi convertidor, tots interconnectats per una xarxa de línies de transmissió HVDC. Dins d'aquesta xarxa, alguns convertidors funcionen com a redressadors, convertint la potència AC en CC, mentre que altres funcionen com a inversors, transformant la potència CC de nou en AC per a la distribució a les càrregues. Un principi fonamental del sistema MTDC és que la potència total suministrada per les estacions redressadores ha de ser igual a la potència combinada rebuda per les estacions inversores (de càrrega), assegurant un flux de potència equilibrat i eficient a través de la xarxa interconnectada.
Sistema de corrent contínua de múltiples terminals (MTDC) (Continuació)
La xarxa MTDC és anàloga a una xarxa AC en termes de flexibilitat, però ofereix una avantatge únic: la capacitat de controlar amb precisió el flux de potència dins de la xarxa distribuïda de CC. No obstant això, aquesta funcionalitat millorada comporta un increment de la complexitat, fent que el sistema MTDC sigui significativament més intricat que una configuració HVDC de dos terminals.
En una configuració MTDC, no és viable depenir dels interruptors de circuit AC al costat AC. A diferència d'un sistema de dos terminals, utilitzar un interruptor de circuit AC desenergitzaria la xarxa DC completa en lloc d'isolament només la línia defectuosa o requerida per manteniment. Per a adreçar això, el sistema MTDC necessita múltiples components de commutació DC, com interruptors de circuit. Aquests interruptors de circuit DC especialitzats estan dissenyats per desenergitzar circuits o isolament seccions específiques durant operacions de manteniment o quan es neteja un defecte, assegurant la estabilitat i fiabilitat de la xarxa.
Mantenir l'equilibri del sistema és crucial en un sistema MTDC. La corrent total suministrada per les estacions redressadors ha de coincidir exactament amb la corrent consumida per les estacions inversores. Quan hi ha un augment súbit de la demanda de potència d'alguna estació inversora, la sortida de potència DC ha de ser incrementada en conseqüència per complir la càrrega incrementada. Durant aquest procés, és essencial vigilar i controlar de prop la tensió suministrada i l'operació dels inversors per prevenir sobrecàrregues, que podrien conduir a fallades del sistema.
Un dels punts forts dels sistemes MTDC és la seva fiabilitat durant aturades forçades. En cas d'una fallada inesperada de potència en una de les estacions de generació, el sistema pot reorientar ràpidament la potència a través d'estacions convertidores alternatives, minimitzant la interrupció del subministrament global de potència.
Aplicacions del MTDC
Els sistemes MTDC es poden categoritzar en dos tipus principals:
Sistema MTDC en sèrie
En una configuració MTDC en sèrie, múltiples estacions convertidores estan connectades en sèrie, similar a components en un circuit elèctric en sèrie. Una característica definidora d'aquesta configuració és que la corrent que flueix a través de cada estació convertidora roman idèntica, ja que està determinada per una de les estacions. No obstant això, la caiguda de tensió es distribueix entre les estacions convertidores, amb cada estació experimentant una part de la caiguda total de tensió a través de la xarxa connectada en sèrie.
Sistema MTDC en sèrie (Continuació)
El sistema MTDC en sèrie es pot considerar una versió ampliada del sistema HVDC de dos terminals, incorporant múltiples estacions convertidores connectades en sèrie, tal com es mostra en el diagrama adjunt. Normalment, les estacions convertidores en una configuració MTDC en sèrie tenen una capacitat inferior a les utilitzades en sistemes MTDC en paral·lel.
Aquest sistema sovint utilitza enllaços monopolars de CC, on la línia de CC està terra a només un punt específic. Per protegir contra surts elèctrics transitoris, es pot instal·lar un condensador de terra a altres punts a la línia com a mesura protectora addicional.
La coordinació d'aislament en el sistema MTDC en sèrie presenta reptes significatius degut a les tensions de CC variables en cada estació. El mecanisme de control del flux de potència en el sistema MTDC en sèrie és més complex en comparació amb el del sistema MTDC en paral·lel. En un sistema MTDC en paral·lel, el flux de potència es pot regular injectant corrent a línies específiques, mentre que en el sistema MTDC en sèrie, el control del flux de potència depèn de l'ajust de la tensió a cada estació terminal.
La inversió del flux de potència en un sistema MTDC en sèrie es pot assolir fàcilment utilitzant tant convertidors de font de tensió (VSC) com convertidors de font de corrent (CSC). No obstant això, quan es produeix un defecte o es requereix manteniment programat per a una línia específica, tota la xarxa DC experimentarà un apagament. Similar al sistema HVDC de dos terminals, s'utilitzen els interruptors de circuit al costat AC per desenergitzar la xarxa DC. L'ampliació del sistema MTDC en sèrie també suposa dificultats. L'instal·lació de noves estacions terminal requereix un apagament complet de la xarxa, ja que la xarxa de DC en forma d'anell ha de ser dividida al punt d'instal·lació, interrompent el subministrament d'energia a totes les altres estacions a lo llarg del camí.
Sistema MTDC en paral·lel
En un sistema MTDC en paral·lel, múltiples estacions convertidores que funcionen com a inversors o estacions de càrrega estan connectades a una sola estació convertidora que actua com a redressador. Aquesta estació redressadora suministra potència a tota la xarxa DC. Anàlogament a un circuit elèctric en paral·lel, la tensió es manté constant a tots els inversors o estacions de càrrega, amb el seu valor determinat per una de les estacions convertidores. En canvi, el subministrament de corrent varia segons la demanda de potència a cada estació. Per mantenir un subministrament de corrent equilibrat, la corrent es ajusta dinàmicament en resposta a les necessitats de potència de cada estació de càrrega. Generalment, les estacions terminal en un sistema MTDC en paral·lel tenen una capacitat superior a les d'una xarxa MTDC en sèrie.
Sistema MTDC en paral·lel (Continuació)
La inversió de potència en un sistema MTDC en paral·lel es pot aconseguir mitjançant mètodes de inversió de tensió o inversió de corrent. Quan s'utilitza la inversió de tensió, que normalment està associada a estacions terminal basades en convertidors de font de corrent (CSC), té un impacte en totes les estacions convertidores. Com a resultat, s'ha de implementar un sistema de control i comunicació molt sofisticat entre aquests convertidors per gestionar aquest efecte. D'altra banda, si la inversió de potència s'assoleix utilitzant la tècnica de inversió de corrent, que sovint està associada a estacions terminal basades en convertidors de font de tensió (VSC), el procés és molt més fàcil d'executar. Aquesta és la raó principal pel qual els VSC són preferits sobre els CSC en sistemes MTDC en paral·lel.
En un sistema MTDC basat en VSC, ja que la tensió es manté constant, la classificació de potència de l'estació terminal es determina pels valors de corrent del convertidor de vòlvules. Aquesta configuració ofereix una avantatge significativa en termes de control del flux de potència dins de la xarxa DC. Pot regular precisament el flux de potència injectant corrent a línies específiques, que és un enfocament més convenient en comparació amb el mecanisme de control de potència en sistemes en sèrie que depenen del control de tensió a cada estació.
Una de les característiques més notables del sistema MTDC en paral·lel és la seva resistència davant dels defectes. Si es produeix un defecte en qualsevol de les estacions terminal, la resta de la xarxa DC roman afectada. No obstant això, per a isolament les línies DC específiques associades a l'estació defectuosa, es necessita un interruptor de circuit DC separat. Addicionalment, durant l'ampliació de la xarxa DC, no hi ha necessitat d'interrumpir el subministrament d'energia. Això és perquè les noves estacions terminal es poden instal·lar en paral·lel amb les línies existents, assegurant una integració fluida sense interrompre la distribució d'energia en curs.
Un altre avantatge del sistema MTDC en paral·lel és la seva coordinació d'aislament relativament simple en comparació amb un sistema en sèrie. Degut a la tensió constant a través de la xarxa, els requisits d'aislament són més fàcils de gestionar.
El sistema MTDC en paral·lel es pot classificar en dues categories:
Sistema MTDC radial
El sistema MTDC radial és un tipus específic de configuració MTDC en paral·lel. En aquesta configuració, si hi ha una ruptura en una línia de transmissió o la eliminació d'un enllaç, això provocarà la interrupció del subministrament d'energia a una o més estacions convertidores. Aquesta característica fa que el sistema MTDC radial sigui alguna mica vulnerable a escenaris de fallada en un sol punt, ja que qualsevol interrupció a la línia de transmissió pot tenir un impacte directe en el subministrament d'energia a certes parts de la xarxa.
La figura proporcionada il·lustra una configuració on quatre estacions inversores estan connectades a una sola estació redressadora. En aquesta configuració, és evident que si hi ha una ruptura en qualsevol de les línies, això inevitablement resultarà en la interrupció del subministrament d'energia a almenys una estació terminal. Aquesta vulnerabilitat fa que el sistema MTDC radial sigui menys fiable en comparació amb els sistemes MTDC en malles o en anells.
Sistema MTDC en malla (en anell)
En un sistema MTDC en malla o en anell, les estacions inversores (de càrrega) estan interconnectades amb una sola estació redressadora en una formació de malla o en anell. Un de els avantatges claus d'aquesta configuració és que, fins i tot si hi ha una ruptura en una única línia de transmissió o la eliminació d'un enllaç, això no provoca la interrupció del subministrament d'energia a cap de les estacions inversores. La figura següent il·lustra clarament aquest sistema MTDC en malla o en anell. Aquesta inherent resistència a les fallades de línia fa que el sistema MTDC en malla o en anell sigui una opció més fiable per a la transmissió i distribució d'energia en certes aplicacions, ja que pot suportar millor les interrupcions i assegurar un subministrament d'energia continu a les estacions de càrrega connectades.
Com es mostra, en un sistema MTDC en malla o en anell, la eliminació de qualsevol enllaç individual no interromp el subministrament d'energia a cap estació convertidora. En lloc d'això, la potència elèctrica es redirigeix automàticament a través d'enllaços alternatius dins de la xarxa. Aquesta redirecció fluida és possible gràcies a la naturalesa interconnectada de la configuració en malla o en anell. No obstant això, és crucial notar que aquests enllaços alternatius han de ser dissenyats meticulosament per gestionar la transmissió de potència incrementada mentre se minimitzen les pèrdues de potència.
L'absència d'interrupcions de potència en el sistema MTDC en malla és un avantatge significatiu. Assegura un subministrament d'energia continu i estable, fins i tot en presència de fallades d'enllaços inesperades. Consequentment, un sistema MTDC en paral·lel en malla ofereix una fiabilitat superior en comparació amb el seu homòleg radial en paral·lel. La susceptibilitat del sistema radial a les interrupcions de potència degut a les fallades d'enllaços individuals es veu eclipsada per la robusta capacitat del sistema en malla per mantenir el flux de potència en circumstàncies similars, fent que el sistema MTDC en malla o en anell sigui la opció preferida per a aplicacions on la entrega d'energia ininterrupta és d'extrema importància.
