¿Cuáles son las ventajas de la corriente continua de alta tensión (HVDC) sobre la corriente alterna de alta tensión (HVAC) en la transmisión de energía?
¿Cuáles son las Ventajas del HVDC sobre el HVAC?
La electricidad recorre largas distancias antes de llegar a los consumidores. Las centrales eléctricas, a menudo remotas, suministran electricidad a través de cientos de millas y múltiples subestaciones. La transmisión de alta tensión reduce las pérdidas en la línea, con el uso tanto de corriente alterna como de corriente directa. Aunque la CA es familiar por medio de postes de utilidad y tomas de corriente en el hogar, el HVDC ofrece ventajas únicas en la transmisión de energía.
El objetivo de la transmisión de energía es minimizar las pérdidas y los costos. Si bien ambos enfrentan factores influyentes, el HVDC tiene más ventajas. Este artículo explora las ventajas del HVDC sobre el HVAC:
Costos de Transmisión Más Bajos
Los costos de transmisión dependen del equipo de conversión de voltaje terminal, la cantidad/tamaño de conductores, las dimensiones de las torres y las pérdidas. El HVAC utiliza transformadores para la conversión, lo que es más simple y económico que los convertidores basados en tiristores del HVDC, siendo esta su única ventaja en cuanto a costos.
El HVAC necesita al menos 3 conductores para la transmisión trifásica. El HVDC, utilizando la tierra como camino de retorno, usa 1 conductor (monopolar) o 2 (bipolar), reduciendo los costos. Incluso los conductores trifásicos pueden transportar el doble de potencia a través de enlaces bipolares dobles de HVDC.
El HVAC requiere un mayor espacio entre fases y entre fase y tierra, necesitando torres más altas y anchas. Las torres de HVDC reducen los costos de instalación. El HVDC también tiene pérdidas de transmisión significativamente menores, lo que lo hace más eficiente.
Los costos totales de transmisión se pueden dividir en dos categorías principales: costos de estaciones terminales y costos de líneas de transmisión. Los primeros son un gasto fijo, independiente de la distancia de transmisión, mientras que los segundos varían con la longitud de la línea. Los costos de estaciones terminales de CA son relativamente bajos, mientras que los costos de estaciones terminales de HVDC son significativamente más altos. Sin embargo, el costo por 100 km para las líneas de transmisión de HVAC es mucho mayor que para las líneas de HVDC. Por lo tanto, las curvas de costos totales para HVAC y HVDC se cruzan en un punto conocido como la distancia de equilibrio.
La distancia de equilibrio es la longitud de transmisión más allá de la cual el costo total de inversión de HVAC supera al de HVDC. Esta distancia varía según el tipo de transmisión: aproximadamente 400-500 millas (600-800 km) para líneas aéreas, 20-50 km para líneas submarinas y 50-100 km para líneas subterráneas. Más allá de este umbral, el HVDC se convierte en una opción más eficiente y económicamente viable para la transmisión de energía.
La transmisión de HVDC genera pérdidas significativamente menores en comparación con el HVAC, con mejoras clave en las siguientes áreas:
Ausencia de Pérdidas de Potencia Reactiva
La transmisión de HVAC sufre pérdidas de potencia reactiva, que son directamente proporcionales a la longitud de la línea, la frecuencia y las cargas inductivas en el extremo receptor. Estas pérdidas reducen la transferencia efectiva de potencia y desperdician energía, limitando la máxima longitud de líneas de HVAC eficientes. Para mitigar esto, los sistemas de HVAC dependen de la compensación en serie y paralelo para reducir VARs (voltio-amperios reactivos) y mantener la estabilidad.
En contraste, el HVDC opera sin frecuencia ni corriente de carga, eliminando completamente las pérdidas de potencia reactiva. Esto elimina la necesidad de tales medidas de compensación.
Reducción de Pérdidas por Corona
Cuando la tensión de transmisión excede un umbral crítico (la tensión de inicio de corona), las moléculas de aire alrededor de los conductores se ionizan, creando chispas (descarga de corona) que desperdician energía. Las pérdidas por corona dependen del nivel de tensión y la frecuencia. Dado que la CC tiene una frecuencia de cero, las pérdidas por corona en HVDC son aproximadamente un tercio de las de los sistemas de HVAC.
Ausencia del Efecto Piel
La corriente alterna presenta el efecto piel, donde la corriente se concentra cerca de la superficie del conductor, dejando el núcleo subutilizado. Esta distribución desigual de la corriente reduce la sección transversal efectiva del conductor, aumentando la resistencia (ya que la resistencia es inversamente proporcional al área) y resultando en mayores pérdidas I²R en las líneas de HVAC. El HVDC, con su corriente continua constante, evita este efecto, asegurando una distribución uniforme de la corriente a lo largo del conductor y minimizando las pérdidas resistivas.
Sin Pérdidas por Radiación o Inducción
Las líneas de transmisión de HVAC sufren pérdidas por radiación e inducción debido a sus campos magnéticos constantemente variables. Las pérdidas por radiación ocurren porque las líneas de CA largas actúan como antenas, radiando energía que no se puede recuperar. Las pérdidas por inducción surgen de las corrientes inducidas en conductores cercanos por el campo alternante.En los sistemas de HVDC, el campo magnético es constante, eliminando completamente tanto las pérdidas por radiación como por inducción.
Reducción de Pérdidas por Corriente de Carga
Los cables subterráneos y submarinos tienen una capacitancia parasitaria inherente, que requiere ser cargada antes de poder transmitir potencia. La capacitancia aumenta con la longitud del cable, y por lo tanto, la corriente de carga aumenta proporcionalmente.
En los sistemas de CA, los cables se cargan y descargan varias veces por segundo, extrayendo corriente adicional de la fuente para mantener este ciclo. Esta corriente extra aumenta las pérdidas I²R en el cable.Los cables de HVDC, sin embargo, solo requieren ser cargados una vez durante la energización inicial o el cambio. Esto elimina las pérdidas asociadas con las corrientes de carga continuas.
Sin Pérdidas por Calentamiento Dieléctrico
El campo eléctrico alternante en los sistemas de CA afecta a los materiales aislantes en las líneas de transmisión, causando que absorban energía y la conviertan en calor, un fenómeno conocido como pérdida dieléctrica. Esto no solo desperdicia energía, sino que también acorta la vida útil del aislamiento.Los sistemas de HVDC generan un campo eléctrico constante, evitando las pérdidas dieléctricas y los problemas de calentamiento del aislamiento asociados.
3) Conductores Más Delgados
El efecto piel en CA causa que la corriente se concentre cerca de la superficie del conductor, requiriendo conductores más gruesos para aumentar el área superficial y acomodar corrientes más altas.El HVDC, libre del efecto piel, permite que la corriente se distribuya uniformemente a lo largo de la sección transversal del conductor. Esto permite el uso de conductores más delgados mientras se mantiene la misma capacidad de transporte de corriente, reduciendo los costos de material y peso.
4) Limitaciones de Longitud de Línea
Las líneas de HVAC sufren pérdidas de potencia reactiva que aumentan directamente con la longitud de la línea. Esto impone un límite crítico en la distancia de transmisión de HVAC: más allá de aproximadamente 500 km para líneas aéreas, las pérdidas de potencia reactiva se vuelven excesivamente altas, inestabilizando el sistema.La transmisión de HVDC, por el contrario, no tiene tales restricciones de longitud, lo que la hace adecuada para la entrega de energía a ultra larga distancia.
5) Reducción de Requisitos de Clasificación de Cables
Los cables están clasificados para la tensión y corriente máximas tolerables. En los sistemas de CA, la tensión y corriente pico son aproximadamente 1.4 veces más altas que sus valores promedio (que corresponden a la potencia real entregada). Sin embargo, los conductores deben estar clasificados para estos valores pico.En los sistemas de CC, los valores pico y promedio son idénticos. Esto significa que el HVDC puede transmitir la misma potencia utilizando cables con clasificaciones de tensión y corriente más bajas en comparación con el HVAC. De hecho, los sistemas de HVAC desperdician aproximadamente el 30% de la capacidad de un conductor debido a sus requisitos pico más altos.
6) Franja de Dominio Más Angosta
"Franja de dominio" se refiere al corredor de tierra requerido para la infraestructura de transmisión. Los sistemas de HVDC requieren una franja de dominio más angosta porque utilizan torres más pequeñas y menos conductores.Por el contrario, el HVAC necesita torres más altas para soportar más conductores y aisladores más grandes (clasificados para las tensiones pico de CA), lo que demanda un soporte estructural más fuerte. Esta huella más amplia aumenta los costos de material, construcción y tierra, haciendo que el HVDC sea superior en términos de eficiencia de franja de dominio.
7) Transmisión Superior Basada en Cables
Los cables subterráneos y submarinos consisten en múltiples conductores separados por aislamiento, creando capacitancia parasitaria entre ellos. Estos cables no pueden transmitir potencia hasta que estén completamente cargados, y la capacitancia (y por lo tanto, la corriente de carga) aumenta con la longitud.Los sistemas de CA cargan y descargan repetidamente los cables (50-60 veces por segundo), amplificando las pérdidas I²R y limitando la longitud del cable. Los cables de HVDC, sin embargo, solo se cargan una vez (durante la energización inicial o el cambio), eliminando tales pérdidas y restricciones de longitud.Esto hace que el HVDC sea la opción preferida para la transmisión de cables marinos, submarinos y subterráneos.
8) Transmisión Bipolar
El HVDC admite modos de transmisión versátiles, con la transmisión bipolar siendo una opción ampliamente utilizada y rentable. Cuenta con dos conductores paralelos con polaridades opuestas, cuyas tensiones están equilibradas en relación con la tierra.Si una línea falla o se rompe, el sistema cambia sin problemas al modo monopolar: la línea restante continúa suministrando corriente, utilizando la tierra como camino de retorno.
9) Flujo de Potencia Controlable
Los convertidores de HVDC, basados en electrónica de estado sólido, permiten un control preciso del flujo de potencia en redes de CA. Su capacidad de conmutación rápida (operando múltiples veces por ciclo) mejora el rendimiento armónico, atenúa los oscilaciones de potencia y optimiza la capacidad de suministro de potencia de la red.
10) Rápida Limpieza de Fallos
Las corrientes de fallo, corrientes anormales debidas a fallos eléctricos, representan riesgos significativos. En los sistemas de HVAC, las corrientes de fallo elevadas pueden dañar las líneas de transmisión, las estaciones, los generadores y las cargas.El HVDC minimiza estos riesgos: las corrientes de fallo son menores, limitando el daño a secciones específicas, y su operación de conmutación rápida asegura una respuesta rápida a los fallos, mejorando la resiliencia del sistema.
11) Interconexión de Redes Asincrónicas
El HVDC permite la interconexión de redes de CA asincrónicas con parámetros diferentes (por ejemplo, frecuencia, fase).Las regiones a menudo utilizan frecuencias distintas (por ejemplo, 50 Hz en Europa frente a 60 Hz en EE. UU.), y las redes pueden tener diferencias de fase, lo que hace imposible la interconexión directa de CA. El HVDC, operando sin restricciones de frecuencia o fase, conecta fácilmente estos sistemas independientes.
12) Habilitación de Redes Inteligentes
Las redes inteligentes integran generadores de pequeña escala (solar, eólica, nuclear) en una red unificada con control inteligente del flujo de potencia.Esto es factible con HVDC, que admite la interconexión asincrónica de unidades de generación y proporciona un control completo sobre la distribución de potencia, alineándose con los requisitos de las redes inteligentes.
13) Reducción de Interferencia de Ruido
El HVDC causa mucha menos interferencia de ruido a las líneas de comunicación cercanas en comparación con el HVAC.El HVAC genera zumbidos audibles, interferencia de radio y TV, con intensidad ligada a su frecuencia. El HVDC, con frecuencia cero, produce un mínimo de ruido. Además, el ruido de HVAC aumenta en mal tiempo, mientras que el ruido de HVDC disminuye, asegurando una operación más estable.
