Tipos de Sistemas HVDC y Configuraciones MTDC
Configuraciones del Sistema de Corriente Directa de Alta Tensión (HVDC)
La Corriente Directa de Alta Tensión, comúnmente abreviada como HVDC, es un método altamente eficiente para la transmisión de energía a larga distancia, reduciendo significativamente las pérdidas de potencia en comparación con la transmisión tradicional de corriente alterna (CA). El sistema HVDC se puede implementar en varias configuraciones, cada una adaptada a requisitos operativos específicos. Este artículo proporciona un resumen conciso de los principales tipos de configuraciones de sistemas HVDC.
Sistemas HVDC Cara a Cara
En una configuración cara a cara (B2B) de HVDC, tanto el rectificador como el inversor, que son componentes clave del convertidor, están alojados dentro de la misma estación terminal. Estos dos elementos del convertidor están directamente conectados cara a cara entre sí. La función principal de esta configuración es conectar dos sistemas de energía CA separados. Logra esto convirtiendo primero la energía CA entrante en CD a través del rectificador y luego transformando rápidamente la energía CD nuevamente en CA utilizando el inversor.
Sistemas HVDC Cara a Cara (Continuación)
La configuración cara a cara de HVDC se instala en una sola habitación y sirve para interconectar dos sistemas de energía CA asincrónicos. Dado que el rectificador y el inversor están conectados directamente cara a cara, no es necesario un cable de transmisión CD. Para minimizar el número de tiristores conectados en serie, la tensión CD intermedia se mantiene intencionalmente en un nivel bajo. Mientras tanto, la corriente nominal de esta configuración puede alcanzar varios miles de amperios.
Este tipo de sistema HVDC es particularmente útil para vincular dos sistemas de energía CA asincrónicos en los siguientes escenarios:
Sistema HVDC de Dos Terminales
En una configuración de dos terminales de HVDC, hay dos estaciones terminales distintas, cada una funcionando como una estación de conversión. Una estación alberga un rectificador, mientras que la otra contiene un inversor. Estas dos terminales están conectadas por una línea de transmisión HVDC, lo que permite la transmisión eficiente de energía eléctrica a larga distancia. Esta configuración está diseñada para superar las limitaciones de la transmisión de CA tradicional para la transferencia de potencia a larga distancia, aprovechando las ventajas de la energía CD para minimizar las pérdidas de potencia y mejorar la eficiencia de transmisión a lo largo de vastas áreas geográficas.
El sistema HVDC de dos terminales presenta una conexión directa entre dos puntos sin líneas de transmisión paralelas ni tomas intermedias a lo largo de la línea de transmisión. Esta característica da lugar a su nombre alternativo, transmisión de punto a punto. Es ideal para aplicaciones de suministro de energía entre dos ubicaciones geográficamente distantes.
Una de las ventajas notables del sistema HVDC de dos terminales es que no requiere un interruptor de circuito HVDC. En caso de mantenimiento o cuando se deben limpiar fallas, se pueden utilizar los interruptores de circuito CA en el lado CA para desenergizar la línea CD. En comparación con los interruptores de circuito CD, los interruptores de circuito CA tienen un diseño más simple y un costo menor, lo que hace que el sistema HVDC de dos terminales sea más económico y fácil de mantener.
Sistema de Corriente Directa de Múltiples Terminales (MTDC)
El sistema de Corriente Directa de Múltiples Terminales (MTDC) representa una configuración HVDC más compleja. Utiliza múltiples líneas de transmisión para establecer conexiones entre más de dos puntos. Esta configuración comprende varias estaciones terminales, cada una equipada con su propio convertidor, todas interconectadas por una red de líneas de transmisión HVDC. Dentro de esta red, algunos convertidores funcionan como rectificadores, convirtiendo la energía CA en CD, mientras que otros operan como inversores, transformando la energía CD de vuelta en CA para su distribución a las cargas. Un principio fundamental del sistema MTDC es que la potencia total suministrada por las estaciones rectificadoras debe ser igual a la potencia combinada recibida por las estaciones inversoras (de carga), asegurando un flujo de potencia equilibrado y eficiente a través de la red interconectada.
Sistema de Corriente Directa de Múltiples Terminales (MTDC) (Continuación)
La red MTDC es análoga a una red de CA en términos de flexibilidad, pero ofrece una ventaja única: la capacidad de controlar con precisión el flujo de potencia dentro de la red distribuida de CD. Sin embargo, esta funcionalidad mejorada viene a un costo de mayor complejidad, haciendo que el sistema MTDC sea significativamente más intrincado que una configuración HVDC de dos terminales.
En una configuración MTDC, no es factible confiar en interruptores de circuito CA en el lado CA. A diferencia de un sistema de dos terminales, el uso de un interruptor de circuito CA desenergizaría toda la red CD en lugar de aislar solo la línea con fallas o requerida para mantenimiento. Para abordar esto, el sistema MTDC requiere múltiples componentes de conmutación CD, como interruptores de circuito. Estos interruptores de circuito CD especializados están diseñados para desenergizar seguramente los circuitos o aislar secciones específicas durante operaciones de mantenimiento o al limpiar fallas, asegurando la estabilidad y confiabilidad de la red.
Mantener el equilibrio del sistema es crucial en un sistema MTDC. La corriente total suministrada por las estaciones rectificadoras debe coincidir exactamente con la corriente consumida por las estaciones inversoras. Cuando hay un aumento repentino en la demanda de potencia desde cualquier estación inversora, la salida de potencia CD necesita aumentarse en consecuencia para satisfacer la carga incrementada. Durante este proceso, es esencial monitorear y controlar de cerca tanto la tensión suministrada como la operación de los inversores para prevenir sobrecargas, lo que podría llevar a fallos del sistema.
Una de las fortalezas clave de los sistemas MTDC es su confiabilidad durante apagones forzados. En caso de un corte de energía inesperado en una de las estaciones de generación, el sistema puede reenrutar rápidamente la potencia a través de estaciones convertidoras alternativas, minimizando la interrupción del suministro de energía general.
Aplicaciones de MTDC
Los sistemas MTDC se pueden clasificar en dos tipos principales:
Sistema MTDC en Serie
En una configuración en serie de MTDC, múltiples estaciones convertidoras están conectadas en serie, similar a componentes en un circuito eléctrico en serie. Una característica definitoria de esta configuración es que la corriente que fluye a través de cada estación convertidora permanece idéntica, ya que está determinada por una de las estaciones. Sin embargo, la caída de tensión se distribuye entre las estaciones convertidoras, con cada estación experimentando una parte de la caída de tensión total en la red conectada en serie.
Sistema MTDC en Serie (Continuación)
El sistema MTDC en serie puede considerarse una versión extendida del sistema HVDC de dos terminales, incorporando múltiples estaciones convertidoras conectadas en serie, como se ilustra en el diagrama adjunto. Por lo general, las estaciones convertidoras en una configuración MTDC en serie tienen una capacidad menor en comparación con las utilizadas en sistemas MTDC en paralelo.
Este sistema comúnmente emplea enlaces CD monopolares, donde la línea CD está a tierra en solo un punto específico. Para proteger contra sobretensiones eléctricas transitorias, se puede instalar un condensador de puesta a tierra en otros puntos a lo largo de la línea como medida de protección adicional.
La coordinación de aislamiento en el sistema MTDC en serie presenta desafíos significativos debido a las tensiones CD variables en cada estación. El mecanismo de control de flujo de potencia en el sistema MTDC en serie es más complejo en comparación con el del sistema MTDC en paralelo. En un sistema MTDC en paralelo, el flujo de potencia se puede regular inyectando corriente en líneas específicas, mientras que en el sistema MTDC en serie, el control del flujo de potencia depende de ajustar la tensión en cada estación terminal.
La inversión del flujo de potencia en un sistema MTDC en serie se puede lograr fácilmente utilizando tanto convertidores de fuente de tensión (VSC) como convertidores de fuente de corriente (CSC). Sin embargo, cuando ocurre una falla o se requiere mantenimiento programado para una línea específica, toda la red CD experimentará un apagón. Similar al sistema HVDC de dos terminales, se utilizan interruptores de circuito en el lado CA para desenergizar la red CD. Expandir el sistema MTDC en serie también plantea dificultades. Instalar nuevas estaciones terminales requiere un apagón completo de la red, ya que la red de CD en forma de anillo debe dividirse en el punto de instalación, interrumpiendo el suministro de energía a todas las demás estaciones a lo largo del camino.
Sistema MTDC en Paralelo
En un sistema MTDC en paralelo, múltiples estaciones convertidoras que funcionan como inversores o estaciones de carga están conectadas a una sola estación convertidora que actúa como rectificador. Esta estación rectificadora suministra potencia a toda la red CD. Análogo a un circuito eléctrico en paralelo, la tensión permanece constante en todas las estaciones inversoras o de carga, con su valor determinado por una de las estaciones convertidoras. En contraste, el suministro de corriente varía según la demanda de potencia en cada estación. Para mantener un suministro de corriente equilibrado, la corriente se ajusta dinámicamente en respuesta a los requisitos de potencia de las estaciones de carga individuales. Generalmente, las estaciones terminales en un sistema MTDC en paralelo tienen una capacidad mayor que las de una red MTDC en serie.
Sistema MTDC en Paralelo (Continuación)
La inversión de potencia en un sistema MTDC en paralelo se puede lograr mediante métodos de inversión de tensión o inversión de corriente. Al usar la inversión de tensión, que generalmente se asocia con estaciones terminales basadas en convertidores de fuente de corriente (CSC), tiene un impacto en todas las estaciones convertidoras. Como resultado, se debe implementar un sistema de control y comunicación altamente sofisticado entre estos convertidores para gestionar este efecto. Por otro lado, si la inversión de potencia se logra utilizando la técnica de inversión de corriente, que a menudo se asocia con estaciones terminales basadas en convertidores de fuente de tensión (VSC), el proceso es mucho más sencillo de ejecutar. Esta es la razón principal por la que los VSC son preferidos sobre los CSC en sistemas MTDC en paralelo.
En un sistema MTDC basado en VSC, dado que la tensión permanece constante, la potencia nominal de la estación terminal se determina por las calificaciones de corriente del convertidor de válvulas. Esta configuración ofrece una ventaja significativa en términos de control de flujo de potencia dentro de la red CD. Puede regular con precisión el flujo de potencia inyectando corriente en líneas específicas, lo cual es un enfoque más conveniente en comparación con el mecanismo de control de potencia en sistemas en serie que depende del control de tensión en cada estación.
Una de las características más notables del sistema MTDC en paralelo es su resistencia frente a las fallas. Si ocurre una falla en alguna de las estaciones terminales, el resto de la red CD permanece inafectado. Sin embargo, para aislar las líneas CD específicas asociadas con la estación defectuosa, se requiere un interruptor de circuito CD separado. Además, durante la expansión de la red CD, no es necesario interrumpir el suministro de energía. Esto se debe a que las nuevas estaciones terminales se pueden instalar en paralelo con las líneas existentes, asegurando una integración fluida sin interrumpir la distribución de energía en curso.
Otra ventaja del sistema MTDC en paralelo es su coordinación de aislamiento relativamente simple en comparación con un sistema en serie. Debido a la tensión constante en toda la red, los requisitos de aislamiento son más fáciles de manejar.
El sistema MTDC en paralelo se puede clasificar aún más en dos categorías:
Sistema MTDC Radial
El sistema MTDC radial es un tipo específico de configuración MTDC en paralelo. En esta configuración, si hay una interrupción en una línea de transmisión o la eliminación de un enlace, conducirá a la interrupción del suministro de potencia a una o más estaciones convertidoras. Esta característica hace que el sistema MTDC radial sea algo vulnerable a escenarios de un solo punto de falla, ya que cualquier interrupción en la línea de transmisión puede tener un impacto directo en el suministro de potencia a ciertas partes de la red.
La figura proporcionada muestra una configuración en la que cuatro estaciones inversoras están conectadas a una sola estación rectificadora. En esta configuración, es evidente que si hay una interrupción en cualquiera de las líneas, inevitablemente resultará en la interrupción del suministro de potencia a al menos una estación terminal. Esta vulnerabilidad hace que el sistema MTDC radial sea menos confiable en comparación con los sistemas MTDC de Malla o Anillo.
Sistema MTDC de Malla (Anillo)
En un sistema MTDC de Malla o Anillo, las estaciones inversoras (de carga) están interconectadas con una sola estación rectificadora en una formación de malla o anillo. Una de las principales ventajas de esta configuración es que incluso si hay una interrupción en una sola línea de transmisión o la eliminación de un enlace, no conduce a la interrupción del suministro de potencia a ninguna de las estaciones inversoras. La siguiente figura ilustra claramente tal sistema MTDC de malla o anillo. Esta resistencia inherente a las fallas de línea hace que el sistema MTDC de Malla o Anillo sea una opción más confiable para la transmisión y distribución de potencia en ciertas aplicaciones, ya que puede soportar mejor las interrupciones y garantizar un suministro de potencia continuo a las estaciones de carga conectadas.
Como se ilustra, en un sistema MTDC de malla o anillo, la eliminación de cualquier enlace único no interrumpe el suministro de potencia a ninguna estación convertidora. En cambio, la potencia eléctrica se redirige automáticamente a través de enlaces alternativos dentro de la red. Esta redirección fluida es posible gracias a la naturaleza interconectada de la configuración de malla o anillo. Sin embargo, es crucial tener en cuenta que estos enlaces alternativos deben estar meticulosamente diseñados para manejar la transmisión de potencia aumentada mientras se minimizan las pérdidas de potencia.
La ausencia de interrupciones de potencia en el sistema MTDC de malla es una ventaja significativa. Garantiza un suministro de potencia continuo y estable, incluso frente a fallas inesperadas de enlaces. Consecuentemente, un sistema MTDC de malla conectado en paralelo ofrece una confiabilidad superior en comparación con su contraparte radial conectada en paralelo. La susceptibilidad del sistema radial a cortes de energía debido a interrupciones de un solo enlace palidece en comparación con la robusta capacidad del sistema de malla para mantener el flujo de potencia en circunstancias similares, lo que hace que el sistema MTDC de malla o anillo sea la opción preferida para aplicaciones donde la entrega ininterrumpida de potencia es de suma importancia.
