¿Cuáles son las diferencias entre HVAC y HVDC en la transmisión de energía?

Diferencia entre HVAC y HVDC

La electricidad generada en las centrales eléctricas se transmite a largas distancias a subestaciones eléctricas, que luego la distribuyen a los consumidores. El voltaje utilizado para la transmisión de energía a larga distancia es extremadamente alto, y exploraremos las razones de este alto voltaje más adelante. Además, la energía transmitida puede ser en corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). Por lo tanto, la energía puede transmitirse utilizando HVAC (Corriente Alterna de Alta Tensión) o HVDC (Corriente Continua de Alta Tensión).

¿Por qué es necesaria la alta tensión para la transmisión?

El voltaje juega un papel crucial en la reducción de las pérdidas en línea, también conocidas como pérdidas de transmisión. Cada conductor eléctrico utilizado para la transmisión de energía tiene una cierta cantidad de resistencia ohmica (R). Cuando la corriente (I) fluye a través de estos conductores, generan energía térmica, que es esencialmente energía desperdiciada o potencia (P).

Según la Ley de Ohm

Como es evidente, la energía desperdiciada en un conductor durante la transmisión depende de la corriente más que del voltaje. Sin embargo, podemos ajustar la magnitud de la corriente mediante la conversión de voltaje utilizando equipos especializados.

Durante la conversión de voltaje, la potencia se mantiene conservada e inalterada. El voltaje y la corriente simplemente varían inversamente por el mismo factor, siguiendo el principio:

Por ejemplo, 11KW de potencia a un voltaje de 220v tiene 50 amperios. En tal caso, las pérdidas en la línea de transmisión serán

Aumentemos el voltaje por un factor de 10. Entonces, la misma potencia de 11KW tendría un voltaje de 2200v & 5 amperios. Ahora las pérdidas en la línea serían;

Como puedes ver, aumentar el voltaje reduce significativamente las pérdidas de potencia en las líneas de transmisión. Por lo tanto, para disminuir la corriente en los cables de transmisión mientras se mantiene la misma cantidad de transmisión de potencia, aumentamos el voltaje.

La Guerra de las Corrientes (CA vs. CC)

A finales de 1880, durante la llamada "Guerra de las Corrientes", la corriente continua (CC) fue la primera en desplegarse para la transmisión de energía. Sin embargo, se consideró altamente ineficiente debido a la falta de equipos prácticos de conversión de voltaje, a diferencia de la corriente alterna (CA), que podía escalarse fácilmente hacia arriba o hacia abajo usando transformadores. Las primeras centrales eléctricas de CC de baja tensión solo podían suministrar electricidad dentro de un radio de unos pocos kilómetros; más allá de eso, el voltaje disminuía drásticamente, requiriendo múltiples estaciones generadoras en áreas pequeñas, un enfoque costoso.

Si bien la transmisión de CC de alta tensión incurre inherentemente en menores pérdidas que la CA, los sistemas de CC tempranos dependían de válvulas de arco de mercurio (rectificadores) para convertir la CA de alta tensión a CC para la transmisión a larga distancia. Estos dispositivos terminales eran voluminosos, caros y requerían mantenimiento frecuente. En contraste, la transmisión de CA dependía de transformadores, más eficientes, asequibles y confiables, lo que hizo de la CA la opción dominante para la transmisión de energía a larga distancia en ese momento.

Al seleccionar entre la corriente alterna de alta tensión (HVAC) y la corriente continua de alta tensión (HVDC) para la transmisión, se deben considerar varios factores críticos. Este artículo explora estos factores en detalle.

HVAC & HVDC

HVAC (Corriente Alterna de Alta Tensión) y HVDC (Corriente Continua de Alta Tensión) se refieren a rangos de voltaje utilizados para la transmisión de energía a larga distancia. El HVDC generalmente se prefiere para distancias ultra-largas (generalmente más de 600 km), aunque ambos sistemas se utilizan ampliamente en todo el mundo hoy en día, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.

Costos de Transmisión

La transmisión de energía a larga distancia requiere voltajes altos, con la potencia transferida entre estaciones terminales que manejan la conversión de voltaje. Los costos totales de transmisión, por lo tanto, dependen de dos componentes: los costos de las estaciones terminales y los costos de las líneas de transmisión.

• Estaciones Terminales
  Las estaciones terminales convierten los niveles de voltaje para la transmisión. Para los sistemas de CA, esto se hace principalmente usando transformadores, que cambian entre voltajes altos y bajos. Para los sistemas de CC, las estaciones terminales usan convertidores basados en tiristores o IGBT para ajustar los niveles de voltaje de CC.

  Dado que los transformadores son más confiables y baratos que los convertidores de estado sólido, las estaciones terminales de CA son menos costosas que sus contrapartes de CC, lo que hace que la conversión de voltaje de CA sea más económica.

• Líneas de Transmisión
  Los costos de las líneas dependen del número de conductores y del diseño de las torres de transmisión. Los sistemas HVDC requieren solo dos conductores, mientras que los sistemas HVAC necesitan tres o más (incluyendo conductores agrupados para mitigar los efectos de corona).

  Las torres de transmisión de CA deben soportar cargas mecánicas más pesadas, requiriendo estructuras más fuertes, altas y anchas en comparación con las torres de HVDC. Los costos de las líneas aumentan con la distancia, y por cada 100 km, las líneas HVAC son significativamente más caras que las líneas HVDC.

• Costos Totales de Transmisión
  Los costos totales se determinan por los costos de las terminales (fijos, independientes de la distancia) y los costos de las líneas (variables, que aumentan con la distancia). Por lo tanto, el costo total de un sistema de transmisión aumenta a medida que aumenta la distancia.

Distancia de Equilibrio

La "distancia de equilibrio" se refiere a la longitud de transmisión más allá de la cual el costo total de inversión de HVAC supera al de HVDC. Esta distancia es aproximadamente de 400 a 500 millas (600 a 800 km). Para distancias más allá de este umbral, el HVDC es la opción más rentable; para distancias más cortas, el HVAC es más económico. Esta relación se ilustra visualmente en el gráfico anterior.

Flexibilidad

El HVDC se utiliza típicamente para la transmisión de larga distancia punto a punto, ya que extraer potencia en puntos intermedios requeriría convertidores costosos para bajar los voltajes de CC. En contraste, el HVAC ofrece mayor flexibilidad: varias estaciones terminales pueden utilizar transformadores de bajo costo para bajar los voltajes altos, permitiendo la extracción de potencia en varios puntos a lo largo de la línea.

Pérdidas de Potencia

La transmisión HVAC incurre en varios tipos de pérdidas, incluyendo pérdidas de corona, pérdidas por efecto piel, pérdidas por radiación y pérdidas por inducción, que están en gran medida ausentes o minimizadas en los sistemas HVDC:

• Pérdidas de Corona: Cuando el voltaje excede un umbral crítico, el aire alrededor de los conductores se ioniza, creando chispas (descarga de corona) que desperdician energía. Estas pérdidas son dependientes de la frecuencia, ya que la CC tiene una frecuencia cero, las pérdidas de corona en HVAC son aproximadamente tres veces mayores que en HVDC.

• Pérdidas por Efecto Piel: En la transmisión de CA, la densidad de corriente es mayor en la superficie del conductor y menor en el núcleo (el "efecto piel"), reduciendo la sección transversal efectiva utilizada para el flujo de corriente. Esto aumenta la resistencia del conductor y amplifica las pérdidas I²R. La corriente continua, por el contrario, se distribuye uniformemente a lo largo del conductor, eliminando este efecto.

• Pérdidas por Radiación e Inducción: El campo magnético alternante de la CA hace que las líneas de transmisión largas actúen como antenas (radiando energía irreparable) e induce corrientes en conductores cercanos (pérdidas por inducción). El campo magnético constante de la CC evita ambos problemas.

El Efecto Piel

El efecto piel, directamente proporcional a la frecuencia, fuerza que la mayor parte de la corriente de CA fluya cerca de la superficie del conductor, dejando el núcleo subutilizado. Esto reduce la eficiencia del conductor: para transportar corrientes más grandes, los sistemas HVAC requieren conductores con área transversal aumentada, elevando los costos de material. El HVDC, no afectado por el efecto piel, usa los conductores de manera más eficiente.

Así, para transportar la misma corriente, el HVAC requiere conductores con un diámetro mayor, mientras que el HVDC puede lograrlo con conductores de menor diámetro.

Calificaciones de Corriente y Voltaje de los Cables

Los cables tienen un voltaje y corriente máxima tolerable calificados. Para la CA, el voltaje y la corriente pico son aproximadamente 1.4 veces mayores que sus valores promedio (que corresponden a la potencia real entregada o valores equivalentes de CC). En contraste, los sistemas de CC tienen valores pico e igual promedio.

Sin embargo, los conductores de HVAC deben estar calificados para la corriente y el voltaje pico, desperdiciando aproximadamente el 30% de su capacidad de transporte. En contraste, el HVDC utiliza la capacidad completa de los conductores, lo que significa que un conductor del mismo tamaño puede transmitir más potencia en los sistemas HVDC.

Derecho de Paso

El "derecho de paso" se refiere al corredor de tierra necesario para la infraestructura de transmisión. Los sistemas HVDC tienen un derecho de paso más estrecho debido a torres más pequeñas y menos conductores (dos para DC vs. tres para CA trifásica). Además, los aisladores de CA en las torres deben estar calificados para los voltajes pico, lo que aumenta aún más su huella.

Este corredor más estrecho reduce los costos de material, construcción y tierra, haciendo que el HVDC sea superior en términos de eficiencia del derecho de paso.

Transmisión Submarina de Energía

Los cables submarinos utilizados para la transmisión de energía offshore tienen capacitancia parásita entre conductores paralelos. La capacitancia reacciona a los cambios de voltaje, constante en AC (50-60 ciclos por segundo) pero que solo ocurre durante el conmutado en DC.

Los cables de CA se cargan y descargan continuamente, causando pérdidas de potencia significativas antes de entregar la energía al extremo receptor. Los cables de HVDC, cargados solo una vez, eliminan tales pérdidas. Para más detalles, consulte el contenido sobre la construcción, características, colocación y uniones de cables submarinos.

Controlabilidad del Flujo de Potencia

Los sistemas HVAC carecen de control preciso sobre el flujo de potencia, mientras que los enlaces HVDC utilizan convertidores de semiconductores basados en IGBT. Estos complejos convertidores, que pueden conmutarse múltiples veces por ciclo, optimizan la distribución de la potencia en el sistema, mejoran el rendimiento armónico y permiten una protección rápida y limpieza de fallas, ventajas que no tienen los sistemas HVAC.

Interconexión de Sistemas Asincrónicos y Redes Inteligentes

Una red inteligente permite que múltiples centrales generadoras alimenten una red unificada, aprovechando redes de pequeña escala para la generación de alta potencia. Sin embargo, conectar múltiples redes de CA asincrónicas (con diferentes frecuencias o fases) es altamente desafiante.

Interconexión de Redes Asincrónicas

Las redes de energía en todo el mundo operan a diferentes frecuencias, algunas a 50 Hz, otras a 60 Hz. Incluso las redes con la misma frecuencia pueden estar fuera de fase. Estas se clasifican como "sistemas asincrónicos" y no pueden conectarse a través de enlaces de CA estándar.

Sin embargo, la CC no se ve afectada por la frecuencia o la fase. Los enlaces HVDC resuelven esto convirtiendo la CA a CC agnóstica de frecuencia y fase, permitiendo la integración sin problemas de redes asincrónicas. En el extremo receptor, los inversores HVDC convierten la CC de nuevo a CA con la frecuencia requerida, facilitando la transmisión de energía unificada.

Interruptores de Circuito

Los interruptores de circuito son críticos en la transmisión de alta tensión, responsables de desenergizar los circuitos durante fallas o mantenimiento. Un requisito clave es la capacidad de extinción de arcos para interrumpir el flujo de potencia.

• Interruptores de Circuito HVAC: La corriente de CA cambia de dirección continuamente, creando momentos naturales de corriente cero (50-60 veces por segundo) que extinguen automáticamente los arcos. Esta característica "autodesvanecedora" simplifica el diseño de los interruptores HVAC, haciéndolos relativamente sencillos y económicos.

• Interruptores de Circuito HVDC: La corriente de CC es unidireccional y no tiene cruces naturales de corriente cero. Para extinguir los arcos, se debe generar artificialmente puntos de corriente cero mediante circuitos especializados. Esta complejidad hace que los interruptores HVDC sean más intrincados y costosos que sus contrapartes de CA.

Generación de Interferencias

La corriente alterna produce un campo magnético constantemente variable, que puede inducir interferencias en las líneas de comunicación cercanas. En contraste, el campo magnético constante de la CC elimina dichas interferencias, asegurando una mínima interrupción a los sistemas de comunicación adyacentes.