Tipos de Sistemas HVDC e Configuracións MTDC
Configuracións de sistemas de corrente directa de alta tensión (HVDC)
A corrente directa de alta tensión, comúnmente abreviada como HVDC, é un método moi eficiente para a transmisión de enerxía eléctrica a longa distancia, reducindo significativamente as perdas de potencia en comparación coa transmisión tradicional de corrente alternativa (AC). O sistema HVDC pode implementarse en varias configuracións, cada unha adaptada a requisitos operativos específicos. Este artigo ofrece un resumo conciso dos principais tipos de configuracións de sistemas HVDC.
Sistemas HVDC cara a cara
Nunha configuración HVDC cara a cara (B2B), tanto o rectificador como o inversor, que son componentes clave do conversor, están aloxados na mesma estación terminal. Estes dous elementos do conversor están conectados directamente cara a cara. A función principal desta configuración é conectar dous sistemas de enerxía eléctrica AC separados. Logra isto convertindo primeiro a enerxía AC entrante en DC a través do rectificador e logo transformando rapidamente a enerxía DC de novo en AC usando o inversor.
Sistemas HVDC cara a cara (continuación)
O montaxe HVDC cara a cara está instalado nunha soa sala e serve para interconectar dous sistemas de enerxía eléctrica AC asincrónicos. Dada a conexión directa cara a cara do rectificador e o inversor, non é necesario unha liña de transmisión DC. Para minimizar o número de tiristores conectados en serie, a tensión DC intermedia mantense intencionadamente a un nivel baixo. Entretanto, a clasificación de corrente desta configuración pode chegar a varios millares de amperios.
Este tipo de sistema HVDC é particularmente útil para ligar dous sistemas de enerxía eléctrica AC asincrónicos nos seguintes escenarios:
Sistema HVDC de dous terminais
Nunha configuración HVDC de dous terminais, hai dúas estacións terminais distintas, cada unha funcionando como unha estación conversora. Unha estación alberga un rectificador, mentres que a outra contén un inversor. Estas dúas terminais están conectadas por unha liña de transmisión HVDC, permitindo a transmisión eficiente de enerxía eléctrica a lonxas distancias. Esta configuración está deseñada para superar as limitacións da transmisión AC tradicional para a transferencia de potencia a gran escala, aproveitando as vantaxes da corrente directa para minimizar as perdas de potencia e mellorar a eficiencia de transmisión a través de grandes áreas xeográficas.
O sistema HVDC de dous terminais ten unha conexión directa entre dous puntos sen liñas de transmisión paralelas ou tomas intermedias ao longo da liña de transmisión. Esta característica dá orixe ao seu nome alternativo, transmisión de potencia punto a punto. É ideal para aplicacións de fornecemento de enerxía entre dous lugares geograficamente distantes.
Unha das ventaxes notables do sistema HVDC de dous terminais é a súa falta de necesidade dun cortacircuito HVDC. No caso de manutención ou limpeza de fallos, os cortacircuitos AC no lado AC poden utilizarse para desenerxizar a liña DC. En comparación cos cortacircuitos DC, os cortacircuitos AC teñen un deseño máis simple e son máis económicos, facendo que o sistema HVDC de dous terminais sexa máis económico e máis fácil de manter.
Sistema de corrente directa multi-terminal (MTDC)
O sistema de corrente directa multi-terminal (MTDC) representa unha configuración HVDC máis complexa. Emprega múltiples liñas de transmisión para establecer conexións entre máis de dous puntos. Esta configuración compónse de varias estacións terminais, cada unha equipada co seu propio conversor, todas interconectadas por unha rede de liñas de transmisión HVDC. Dentro desta rede, algúns conversores funcionan como rectificadores, convertendo a enerxía AC en DC, mentres que outros operan como inversores, transformando a enerxía DC de volta en AC para a distribución aos cargas. Un principio fundamental do sistema MTDC é que a potencia total suministrada polas estacións rectificadoras debe ser igual á potencia combinada recibida polas estacións inversoras (de carga), asegurando un fluxo de potencia equilibrado e eficiente a través da rede interconectada.
Sistema de corrente directa multi-terminal (MTDC) (continuación)
A rede MTDC é análoga a unha rede AC en termos de flexibilidade, pero ofrece unha ventaxe única: a capacidade de controlar precisamente o fluxo de potencia dentro da rede distribuída DC. No entanto, esta funcionalidade mellorada vén ao prezo de unha maior complexidade, facendo que o sistema MTDC sexa significativamente máis intrincado que unha configuración HVDC de dous terminais.
Nunha configuración MTDC, confiar nos cortacircuitos AC no lado AC non é factible. Ao contrario que nun sistema de dous terminais, usar un cortacircuitos AC desenerxizaria toda a rede DC en lugar de aislar só a liña con falso ou que require manutención. Para abordar isto, o sistema MTDC necesita múltiples componentes de interruptores DC, como cortacircuitos. Estes cortacircuitos DC especializados están deseñados para desenerxizar seguramente circuitos ou aislar seccións específicas durante operacións de manutención ou limpeza de fallos, asegurando a estabilidade e fiabilidade da rede.
Manter o equilibrio do sistema é crucial nun sistema MTDC. A corrente total suministrada polas estacións rectificadoras debe coincidir precisamente coa corrente consumida polas estacións inversoras. Cando hai un aumento súbito na demanda de potencia desde calquera estación inversora, a potencia DC de saída debe aumentarse en consecuencia para satisfacer a carga incrementada. Durante este proceso, é esencial monitorizar e controlar de cerca tanto a tensión suministrada como a operación dos inversores para evitar sobrecargas, que poden levar a fallos do sistema.
Unha das forzas clave dos sistemas MTDC é a súa fiabilidade durante apagados forzados. No caso de un fallo inesperado de enerxía nunha das estacións xeradoras, o sistema pode reencamiñar rapidamente a potencia a través de outras estacións conversoras, minimizando a interrupción do fornecemento de potencia global.
Aplicacións de MTDC
Os sistemas MTDC poden categorizarse en dous tipos principais:
Sistema MTDC en serie
Nunha configuración MTDC en serie, múltiples estacións conversoras están conectadas en serie, como componentes nun circuito eléctrico en serie. Unha característica definitoria desta configuración é que a corrente que fluye a través de cada estación conversora permanece idéntica, xa que está fixada por unha das estacións. No entanto, a caída de tensión está distribuída entre as estacións conversoras, cunha parte da caída de tensión total sobre a rede conectada en serie experimentada por cada estación.
Sistema MTDC en serie (continuación)
O sistema MTDC en serie pode considerarse unha versión extendida do sistema HVDC de dous terminais, incorporando múltiples estacións conversoras conectadas en serie, como se ilustra no diagrama adjunto. Xeralmente, as estacións conversoras nunha configuración MTDC en serie teñen unha capacidade menor que as utilizadas en sistemas MTDC en paralelo.
Este sistema emprega comunmente liñas DC monopolares, onde a liña DC está terra en só un punto específico. Para protexer contra sobretensiones eléctricas transitórias, pódese instalar un condensador de terra en outros puntos ao longo da liña como medida protectora adicional.
A coordinación de aislamentos no sistema MTDC en serie presenta importantes desafíos debido ás diferentes tensións DC en cada estación. O mecanismo de control do fluxo de potencia no sistema MTDC en serie é máis complexo en comparación co sistema MTDC en paralelo. No sistema MTDC en paralelo, o fluxo de potencia pode regularse inxectando corrente en liñas específicas, mentres que no sistema MTDC en serie, o control do fluxo de potencia depende de axustar a tensión en cada estación terminal.
A inversión do fluxo de potencia nun sistema MTDC en serie pode lograrse facilmente usando tanto conversores de fonte de tensión (VSC) como conversores de fonte de corrente (CSC). No entanto, cando ocorre un fallo ou se require manutención programada para unha liña específica, toda a rede DC experimentará un apagado. Semellante ao sistema HVDC de dous terminais, usanse cortacircuitos do lado AC para desenerxizar a rede DC. Expandir o sistema MTDC en serie tamén presenta dificultades. Instalar novas estacións terminais require un apagado completo da rede, xa que a rede DC circular debe dividirse no punto de instalación, interrompendo o fornecemento de potencia a todas as outras estacións ao longo do camiño.
Sistema MTDC en paralelo
Nun sistema MTDC en paralelo, múltiples estacións conversoras que funcionan como inversores ou estacións de carga están conectadas a unha soa estación conversora que actúa como rectificador. Esta estación rectificadora suministra potencia a toda a rede DC. Análogo a un circuito eléctrico en paralelo, a tensión permanece constante en todas as estacións inversoras ou de carga, co seu valor fixado por unha das estacións conversoras. En contraste, o suministro de corrente varía segundo a demanda de potencia en cada estación. Para manter un suministro de corrente equilibrado, a corrente ajustase dinamicamente en resposta ás necesidades de potencia de cada estación de carga. Xeralmente, as estacións terminais nun sistema MTDC en paralelo teñen unha capacidade maior que as nunha rede MTDC en serie.
Sistema MTDC en paralelo (continuación)
A inversión de potencia nun sistema MTDC en paralelo pode lograrse mediante métodos de inversión de tensión ou corrente. Cando se usa a inversión de tensión, que xeralmente está asociada con estacións terminais baseadas en conversores de fonte de corrente (CSC), ten un impacto en todas as estacións conversoras. Como resultado, debe implementarse un sistema de control e comunicación altamente sofisticado entre estes conversores para xestionar este efecto. Por outro lado, se a inversión de potencia se logra usando o método de inversión de corrente, que xeralmente está asociado con estacións terminais baseadas en conversores de fonte de tensión (VSC), o proceso é moito máis simple de executar. Esta é a razón principal polo que os VSC son preferidos sobre os CSC nos sistemas MTDC en paralelo.
Nun sistema MTDC baseado en VSC, xa que a tensión permanece constante, a clasificación de potencia da estación terminal determinase polas clasificacións de corrente do conversor de válvulas. Esta configuración ofrece unha ventaxe significativa en termos de control do fluxo de potencia dentro da rede DC. Pode regular precisamente o fluxo de potencia inxectando corrente en liñas específicas, que é un enfoque máis conveniente en comparación co mecanismo de control de potencia en sistemas en serie que dependen do control de tensión en cada estación.
Unha das características máis notables do sistema MTDC en paralelo é a súa resistencia ante fallos. Se ocorre un fallo en calquera das estacións terminais, o resto da rede DC permanece inalterado. No entanto, para aislar as liñas DC específicas asociadas coa estación defectuosa, é necesario un cortacircuitos DC separado. Ademais, durante a expansión da rede DC, non é necesario interromper o fornecemento de potencia. Isto é porque as novas estacións terminais poden instalarse en paralelo coas liñas existentes, asegurando unha integración sinxela sen interromper a distribución de potencia en curso.
Outra ventaxe do sistema MTDC en paralelo é a súa relativamente simple coordinación de aislamentos en comparación cun sistema en serie. Debido á tensión constante a través da rede, os requisitos de aislamento son máis sinxellos de xestionar.
O sistema MTDC en paralelo pode clasificarse en dúas categorías:
Sistema MTDC radial
O sistema MTDC radial é un tipo específico de configuración MTDC en paralelo. Nesta configuración, se hai unha rotura nunha liña de transmisión ou a eliminación dunha ligazón, llelle a interrupción do fornecemento de potencia a unha ou máis estacións conversoras. Esta característica fai que o sistema MTDC radial sexa algo vulnerábel a escenarios de fallo dun único punto, xa que calquera interrupción na liña de transmisión pode ter un impacto directo no fornecemento de potencia a certas partes da rede.
A figura proporcionada mostra unha configuración onde catro estacións inversoras están conectadas a unha soa estación rectificadora. Nesta configuración, é evidente que se hai unha rotura en calquera unha das liñas, inevitabelmente resultará na interrupción do fornecemento de potencia a polo menos unha estación terminal. Esta vulnerabilidade fai que o sistema MTDC radial sexa menos fiable en comparación co sistema MTDC en malla ou anel.
Sistema MTDC en malla (anel)
Nun sistema MTDC en malla ou anel, as estacións inversoras (de carga) están interconectadas cunha soa estación rectificadora nunha formación de malla ou anel. Unha das principais vantaxes desta configuración é que mesmo se hai unha rotura nunha soa liña de transmisión ou a eliminación dunha ligazón, non llelle a interrupción do fornecemento de potencia a ningunha das estacións inversoras. A figura subsecuente ilustra claramente un sistema MTDC en malla ou anel. Esta resistencia inherente a fallos de liñas fai que o sistema MTDC en malla ou anel sexa unha opción máis fiable para a transmisión e distribución de potencia en certas aplicacións, xa que pode resistir mellor as interrupcións e asegurar un fornecemento de potencia continuo ás estacións de carga conectadas.
Como se ilustra, nun sistema MTDC en malla ou anel, a eliminación de calquera unha ligazón non interrumpe o fornecemento de potencia a ningunha estación conversora. En cambio, a potencia eléctrica redirixese automaticamente a través de liñas alternativas dentro da rede. Esta redirección sinxela é posible grazas á natureza interconectada da configuración en malla ou anel. No entanto, é crucial notar que estas liñas alternativas deben deseñarse meticulosamente para manexar a transmisión de potencia aumentada, minimizando as perdas de potencia.
A ausencia de interrupcións de potencia no sistema MTDC en malla é unha ventaxe significativa. Assegura un fornecemento de potencia continuo e estable, incluso ante fallos inesperados de ligazóns. En consecuencia, un sistema MTDC en malla conectado en paralelo ofrece unha fiabilidade superior en comparación co seu homólogo en radial conectado en paralelo. A susceptibilidade do sistema radial a cortes de enerxía debido a interrupcións dunha soa ligazón é insignificante en comparación coa robusta capacidade do sistema en malla de manter o fluxo de potencia en circunstancias similares, facendo que o sistema MTDC en malla ou anel sexa a opción preferida para aplicacións onde a entrega ininterrupta de potencia é de máxima importancia.
