Un convertidor HVDC convierte la energía eléctrica de corriente alterna de alto voltaje (CA) a corriente continua de alto voltaje (HVDC), o viceversa. HVDC se utiliza como alternativa a la CA para transmitir energía eléctrica a largas distancias o entre sistemas de energía CA de diferentes frecuencias. [1] convertidores HVDC capaces de convertir hasta dos gigavatios (GW) [2] y con puntuaciones de tensión de hasta 900 kilo voltios (kV) [3] se han construido, y calificaciones aún más altas son técnicamente factibles. Una estación convertidora completa puede contener varios convertidores de este tipo en serie y / o en paralelo para lograr valores nominales de voltaje de CC del sistema total de hasta 1.100 kV.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/fe/HVDC_converter_symbol.png/220px-HVDC_converter_symbol.png)
Casi todos los convertidores HVDC son intrínsecamente bidireccionales; pueden convertir de CA a CC ( rectificación ) o de CC a CA ( inversión ). Un sistema HVDC completo siempre incluye al menos un convertidor que funciona como rectificador (convirtiendo CA en CC) y al menos uno que funciona como inversor (convirtiendo CC en CA). Algunos sistemas HVDC aprovechan al máximo esta propiedad bidireccional (por ejemplo, los diseñados para el comercio de energía transfronteriza, como el enlace entre canales entre Inglaterra y Francia ). [4] Otros, por ejemplo los diseñados para exportar energía desde una central eléctrica remota , como el esquema de Itaipu en Brasil , [5] pueden optimizarse para el flujo de energía en una sola dirección preferida. En tales esquemas, el flujo de energía en la dirección no preferida puede tener una capacidad reducida o una eficiencia más pobre.
Tipos de convertidores HVDC
Los convertidores HVDC pueden adoptar varias formas diferentes. Los primeros sistemas HVDC, construidos hasta la década de 1930, eran efectivamente convertidores rotativos y utilizaban conversión electromecánica con grupos de motor - generador conectados en serie en el lado de CC y en paralelo en el lado de CA. Sin embargo, todos los sistemas HVDC construidos desde la década de 1940 han utilizado convertidores electrónicos (estáticos).
Los convertidores electrónicos para HVDC se dividen en dos categorías principales. Los convertidores conmutados por línea (HVDC classic) están hechos con interruptores electrónicos que solo se pueden encender. Los convertidores de fuente de voltaje están hechos con dispositivos de conmutación que se pueden encender y apagar. Los convertidores de conmutación de línea (LCC) utilizaron válvulas de arco de mercurio hasta la década de 1970, [6] o tiristores desde la década de 1970 hasta la actualidad. Los convertidores de fuente de voltaje (VSC), que aparecieron por primera vez en HVDC en 1997, [7] usan transistores , generalmente el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).
A partir de 2012, las tecnologías de fuente de voltaje y de conmutación de línea son importantes, con convertidores de conmutación de línea utilizados principalmente donde se necesita una capacidad y eficiencia muy altas, y convertidores de fuente de voltaje utilizados principalmente para interconectar sistemas de CA débiles, para conectar grandes Escale la energía eólica a la red o para interconexiones HVDC que probablemente se expandirán para convertirse en sistemas HVDC de terminales múltiples en el futuro. El mercado de convertidores de fuente de voltaje HVDC está creciendo rápidamente, impulsado en parte por el aumento de la inversión en energía eólica marina , con un tipo particular de convertidor, el convertidor modular multinivel (MMC) [8] emergiendo como uno de los pioneros.
Convertidores electromecánicos
Ya en la década de 1880, las ventajas de la transmisión de CC de larga distancia comenzaron a ser evidentes y se pusieron en funcionamiento varios sistemas comerciales de transmisión de energía. [1] Los más exitosos utilizaron el sistema inventado por René Thury y se basaron en el principio de conectar varios grupos motor-generador en serie en el lado de CC. El ejemplo más conocido fue el esquema de transmisión de CC de 200 km Lyon-Moutiers en Francia , que operó comercialmente de 1906 a 1936 transmitiendo energía desde la central hidroeléctrica de Moutiers a la ciudad de Lyon . [9] Kimbark [10] informa que este sistema funcionó de manera bastante confiable; sin embargo, la eficiencia total de un extremo a otro (alrededor del 70%) fue pobre para los estándares actuales. Desde la década de 1930 en adelante, [6] comenzaron a realizarse investigaciones exhaustivas sobre alternativas estáticas utilizando tubos llenos de gas , principalmente válvulas de arco de mercurio pero también tiratrones , que ofrecían la promesa de una eficiencia significativamente mayor. Los convertidores rotativos mecánicos muy pequeños se siguieron utilizando para aplicaciones específicas en entornos adversos, como aviones y vehículos, como un método de conversión de energía de baterías a los altos voltajes requeridos para radio y RADAR, hasta la década de 1960 y la era de los transistores.
Convertidores conmutados por línea
La mayoría de los sistemas HVDC en funcionamiento en la actualidad se basan en convertidores conmutados por línea (LCC). El término línea conmutada indica que el proceso de conversión se basa en el voltaje de línea del sistema de CA al que está conectado el convertidor para efectuar la conmutación de un dispositivo de conmutación a su vecino. [11] Los convertidores conmutados en línea utilizan dispositivos de conmutación que no están controlados (como diodos ) o que solo pueden encenderse (no apagarse) mediante acciones de control, como tiristores . Aunque los convertidores HVDC pueden, en principio, construirse a partir de diodos, tales convertidores solo se pueden utilizar en modo de rectificación y la falta de capacidad de control de la tensión CC es una seria desventaja. En consecuencia, en la práctica, todos los sistemas LCC HVDC utilizan válvulas de arco de mercurio controladas por la red (hasta la década de 1970) o tiristores (hasta la actualidad).
En un convertidor de línea conmutada, la corriente CC no cambia de dirección; fluye a través de una gran inductancia y puede considerarse casi constante. En el lado de CA, el convertidor se comporta aproximadamente como una fuente de corriente, inyectando corrientes armónicas y de frecuencia de red en la red de CA. Por esta razón, un convertidor de línea conmutada para HVDC también se considera un convertidor de fuente de corriente . [11] Debido a que la dirección de la corriente no se puede variar, la inversión de la dirección del flujo de energía (cuando sea necesario) se logra invirtiendo la polaridad del voltaje de CC en ambas estaciones.
Puente de seis pulsos de conmutación de línea
La configuración básica de LCC para HVDC utiliza un puente rectificador de Graetz trifásico o un puente de seis pulsos , que contiene seis interruptores electrónicos, cada uno de los cuales conecta una de las tres fases a uno de los dos terminales de CC. [12] Un elemento de conmutación completo se suele denominar válvula , independientemente de su construcción. Normalmente, dos válvulas en el puente están conduciendo en cualquier momento: una para una fase en la fila superior y otra (de una fase diferente) en la fila inferior. Las dos válvulas conductoras conectan dos de los tres voltajes de fase de CA, en serie, a los terminales de CC. Por lo tanto, la tensión de salida de CC en un instante dado viene dada por la combinación en serie de dos tensiones de fase de CA. Por ejemplo, si las válvulas V1 y V2 son conductoras, la tensión de salida de CC viene dada por la tensión de la fase 1 menos la tensión de la fase 3.
Debido a la inductancia inevitable (pero beneficiosa) en el suministro de CA, la transición de un par de válvulas conductoras al siguiente no ocurre instantáneamente. Más bien, hay un breve período de superposición cuando dos válvulas en la misma fila del puente están conduciendo simultáneamente. Por ejemplo, si las válvulas V1 y V2 están conduciendo inicialmente y luego se enciende la válvula V3, la conducción pasa de V1 a V3 pero durante un período corto, ambas válvulas conducen simultáneamente. [11] Durante este período, el voltaje de salida de CC está dado por el promedio de los voltajes de las fases 1 y 2, menos el voltaje de la fase 3. El ángulo de superposición μ (ou) en un convertidor HVDC aumenta con la corriente de carga, pero suele rondar los 20 ° a plena carga.
![]() Circuito rectificador de puente trifásico de onda completa (Graetz) que utiliza tiristores como elementos de conmutación | ![]() Explicación del proceso de conmutación. Cuando solo las válvulas 1 y 2 están conduciendo, el voltaje de CC se forma a partir de dos de los voltajes trifásicos. Durante el período de superposición, el voltaje de CC se forma a partir de los tres voltajes de fase. |
Durante el período de superposición, la tensión de CC de salida es más baja de lo que sería de otro modo y el período de superposición produce una muesca visible en la tensión de CC. [11] Un efecto importante de esto es que el voltaje de salida de CC medio disminuye a medida que aumenta el período de superposición; por lo tanto, la tensión CC media cae al aumentar la corriente CC.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/7c/Bridge_rectifier_at_alpha%3D20_u%3D20.png/250px-Bridge_rectifier_at_alpha%3D20_u%3D20.png)
La tensión de salida CC media de un convertidor de seis pulsos viene dada por: [13]
Dónde:
- V LLpeak : el valor pico de la tensión de entrada de línea a línea (en el lado del convertidor del transformador convertidor ),
- α - el ángulo de disparo del tiristor
- L c - la inductancia de conmutación por fase
- I d - la corriente continua
El ángulo de disparo α representa el tiempo de retardo desde el punto en el que el voltaje a través de una válvula se vuelve positivo (momento en el cual un diodo comenzaría a conducir) y los tiristores se encienden. [11] [14] De la ecuación anterior, está claro que a medida que aumenta el ángulo de disparo, el voltaje de salida de CC medio disminuye. De hecho, con un convertidor conmutado en línea, el ángulo de disparo representa la única forma rápida de controlar el convertidor. El control del ángulo de disparo se utiliza para regular los voltajes de CC de ambos extremos del sistema HVDC de forma continua con el fin de obtener el nivel deseado de transferencia de potencia.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/42/Inverter_valve_voltage_and_current.png/220px-Inverter_valve_voltage_and_current.png)
El voltaje de salida de CC del convertidor se vuelve cada vez menos positivo a medida que aumenta el ángulo de disparo: los ángulos de disparo de hasta 90 ° corresponden a rectificación y dan como resultado voltajes de CC positivos, mientras que los ángulos de disparo superiores a 90 ° corresponden a inversión y dan como resultado voltajes de CC negativos . [15] Sin embargo, el ángulo de disparo no se puede extender completamente a 180 °, por dos razones. En primer lugar, debe tenerse en cuenta el ángulo de solapamiento μ y, en segundo lugar, un ángulo de extinción adicional γ que se necesita para que las válvulas recuperen su capacidad de soportar voltaje positivo después de conducir la corriente. El ángulo de extinción γ está relacionado con el tiempo de apagado t q de los tiristores. Un valor típico de γ es 15 °. α, γ y μ están interrelacionados así:
(en grados)
Puente de doce pulsos conmutados en línea
Con un cambio de fase solo cada 60 °, se produce una distorsión armónica considerable en los terminales de CC y CA cuando se utiliza la disposición de seis pulsos. Se necesitan grandes componentes de filtrado para restaurar las formas de onda a sinusoidal. Una mejora de la disposición del puente de seis pulsos utiliza 12 válvulas en un puente de doce pulsos . [11] Un puente de doce pulsos son efectivamente dos puentes de seis pulsos conectados en serie en el lado de CC y dispuestos con un desplazamiento de fase entre sus respectivos suministros de CA de modo que se cancelen algunos de los voltajes y corrientes armónicos.
El desplazamiento de fase entre los dos suministros de CA suele ser de 30 ° y se realiza mediante el uso de transformadores convertidores con dos devanados secundarios diferentes (o devanados de válvula ). Por lo general, uno de los devanados de la válvula está conectado en estrella (estrella) y el otro está conectado en triángulo. [16] Con doce válvulas que conectan cada uno de los dos conjuntos de tres fases a los dos carriles de CC, hay un cambio de fase cada 30 ° y los niveles de armónicos de baja frecuencia se reducen considerablemente, simplificando considerablemente los requisitos de filtrado. Por esta razón, el sistema de doce pulsos se ha convertido en estándar en casi todos los sistemas HVDC de convertidores conmutados en línea, aunque los sistemas HVDC construidos con válvulas de arco de mercurio prevén el funcionamiento temporal con uno de los dos grupos de seis pulsos anulado.
![]() Un convertidor HVDC de 12 pulsos que utiliza válvulas de arco de mercurio, con una válvula de derivación y un interruptor de derivación en cada uno de los dos puentes de 6 pulsos. | ![]() Un convertidor HVDC de 12 pulsos que utiliza válvulas de tiristor | ![]() Explicar el concepto de cuadrivalvo por HVDC |
Válvulas de arco de mercurio
Los primeros sistemas LCC utilizaban válvulas de arco de mercurio , con diseños que habían evolucionado a partir de los utilizados en rectificadores industriales de alta potencia. [17] Se necesitaron una serie de adaptaciones para que tales válvulas fueran adecuadas para HVDC, en particular el uso de electrodos graduadores de voltaje de ánodo para minimizar el riesgo de retroceso de arco a los voltajes inversos muy altos experimentados en HVDC. [18] Gran parte del trabajo pionero en esta área fue realizado en Suecia por el Dr. Uno Lamm , ampliamente considerado el "Padre de HVDC" y en cuyo nombre el IEEE presentó el "Premio Uno Lamm" por sus destacadas contribuciones en el campo de HVDC. [19] Las columnas de ánodo muy largas necesarias para aplicaciones de alto voltaje limitaban la corriente que podía transportar con seguridad cada ánodo, por lo que la mayoría de las válvulas de arco de mercurio para HVDC usaban varias columnas de ánodo (la mayoría de las veces, cuatro) en paralelo por válvula. [6]
Por lo general, cada brazo de cada puente de seis pulsos constaba de una sola válvula de arco de mercurio, pero dos proyectos construidos en la ex Unión Soviética utilizaron dos o tres válvulas de arco de mercurio en serie por brazo, sin conexión paralela de columnas de ánodo. [20]
Las válvulas de arco de mercurio para HVDC eran resistentes pero requerían un alto mantenimiento. Debido a esto, la mayoría de los sistemas HVDC de arco de mercurio se construyeron con conmutadores de derivación en cada puente de seis pulsos para que el esquema HVDC pudiera funcionar en modo de seis pulsos durante períodos cortos de mantenimiento. [16] [21]
Las válvulas de arco de mercurio se construyeron con clasificaciones de hasta 150 kV, 1800 A. El último (y más poderoso) sistema de arco de mercurio instalado fue el del Nelson River DC Transmission System en Canadá , que usó seis columnas de ánodo en paralelo por válvula y fue completado en 1977. [22] [23] El último sistema de arco de mercurio en funcionamiento (el enlace entre islas HVDC entre las islas del norte y del sur de Nueva Zelanda ) se cerró en 2012. Las válvulas de arco de mercurio también se utilizaron en los siguientes proyectos de HVDC : [24]
- El Proyecto Elba en Berlín , Alemania
- El proyecto Moscú-Kashira en Rusia [20]
- La primera fase del proyecto Gotland en Suecia
- El proyecto Cross Channel original (160 MW) entre Inglaterra y Francia
- El proyecto Volgogrado-Donbass que une Rusia y Ucrania [20]
- La primera fase del enlace Konti-Skan entre Suecia y Dinamarca
- El convertidor de frecuencia Sakuma en Japón
- La primera fase del enlace Italia-Córcega-Cerdeña
- La primera fase del enlace de la isla de Vancouver en Canadá
- La primera fase de Pacific DC Intertie de Oregon a Los Ángeles en los Estados Unidos
- El enlace de Kingsnorth en Londres , Inglaterra
- La primera fase del sistema de transmisión de CC del río Nelson en Canadá
Válvulas de tiristores
La válvula de tiristor se utilizó por primera vez en sistemas HVDC en 1972 en la estación convertidora de Eel River en Canadá . [23] El tiristor es un dispositivo semiconductor de estado sólido similar al diodo , pero con un terminal de control adicional que se utiliza para encender el dispositivo en un instante definido. Debido a que los tiristores tienen voltajes de ruptura de solo unos pocos kilovoltios cada uno, las válvulas de tiristores HVDC se construyen utilizando una gran cantidad de tiristores conectados en serie. Los componentes pasivos adicionales, como los condensadores de clasificación y las resistencias, deben conectarse en paralelo con cada tiristor para garantizar que el voltaje a través de la válvula se comparta uniformemente entre los tiristores. El tiristor más sus circuitos de clasificación y otros equipos auxiliares se conoce como nivel de tiristor .
Cada válvula de tiristores contendrá típicamente decenas o cientos de niveles de tiristores, cada uno operando a un potencial diferente (alto) con respecto a la tierra. [16] Por lo tanto, la información de comando para encender los tiristores no se puede enviar simplemente mediante una conexión de cable, sino que debe aislarse. El método de aislamiento puede ser magnético (utilizando transformadores de pulsos ) pero suele ser óptico . Se utilizan dos métodos ópticos: disparo óptico indirecto y directo. En el método de activación óptica indirecta, la electrónica de control de bajo voltaje envía pulsos de luz a lo largo de las fibras ópticas a la electrónica de control del lado alto , que deriva su potencia del voltaje a través de cada tiristor. El método alternativo de disparo óptico directo prescinde de la mayoría de los componentes electrónicos del lado alto, en lugar de utilizar pulsos de luz de los componentes electrónicos de control para conmutar los tiristores activados por luz (LTT), [25] aunque es posible que se requiera una pequeña unidad electrónica de control para la protección de la válvula.
En 2012, las válvulas de tiristores se habían utilizado en más de 100 esquemas HVDC, y muchos más aún se encuentran en construcción o en planificación. La potencia nominal más alta de cualquier convertidor HVDC (puente de doce pulsos) en funcionamiento fue de 2000 MW en 2010, en el esquema de ± 660 kV Ningdong-Shandong en China . Se proporcionan dos convertidores de este tipo en cada extremo del esquema, que es de construcción bipolar convencional. [2] Desde 2007, la tensión nominal más alta de un solo convertidor HVDC ha sido el esquema NorNed de ± 450 kV que une Noruega con los Países Bajos , que tiene un solo convertidor en cada extremo en una disposición que es inusual para un esquema LCC HVDC. [3]
Convertidores de fuente de voltaje
Debido a que los tiristores (y los rectificadores de mercurio) solo se pueden encender (no apagar) mediante una acción de control, y dependen del sistema de CA externo para efectuar el proceso de apagado, el sistema de control solo tiene un grado de libertad, cuando está en el ciclo para encienda el tiristor. [11] Esto limita la utilidad de HVDC en algunas circunstancias porque significa que el sistema de CA al que está conectado el convertidor HVDC siempre debe contener máquinas síncronas para proporcionar la sincronización para el voltaje de conmutación; el convertidor HVDC no puede alimentar energía a un sistema pasivo. Este no es un problema para suministrar energía adicional a una red que ya está activa, pero no puede usarse como la única fuente de energía.
Con otros tipos de dispositivos semiconductores, como el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), se puede controlar el tiempo de encendido y apagado, lo que proporciona un segundo grado de libertad. Como resultado, los IGBT se pueden utilizar para fabricar convertidores autoconmutados que están más cerca de un gran inversor en funcionamiento. En tales convertidores, la polaridad de la tensión de CC suele ser fija y la tensión de CC, suavizada por una gran capacitancia, puede considerarse constante. Por esta razón, un convertidor HVDC que utiliza IGBT se suele denominar convertidor de fuente de tensión (o convertidor de fuente de tensión [26] ). La capacidad de control adicional ofrece muchas ventajas, en particular la capacidad de encender y apagar los IGBT muchas veces por ciclo para mejorar el rendimiento armónico, y el hecho de que (al ser autoconmutado) el convertidor ya no depende de máquinas síncronas en la CA sistema para su funcionamiento. Por lo tanto, un convertidor de fuente de voltaje puede alimentar energía a una red de CA que consta solo de cargas pasivas, algo que es imposible con LCC HVDC. Los convertidores de fuente de voltaje también son considerablemente más compactos que los convertidores conmutados en línea (principalmente porque se necesita un filtrado mucho menos armónico) y son preferibles a los convertidores conmutados en línea en lugares donde el espacio es escaso, por ejemplo, en plataformas marinas.
A diferencia de los convertidores HVDC conmutados en línea, los convertidores de fuente de voltaje mantienen una polaridad constante de voltaje CC y la inversión de potencia se logra en cambio invirtiendo la dirección de la corriente. Esto hace que los convertidores de fuente de voltaje sean mucho más fáciles de conectar a un sistema HVDC de terminales múltiples o "Red de CC". [27]
Los sistemas HVDC basados en convertidores de fuente de voltaje normalmente utilizan la conexión de seis pulsos porque el convertidor produce mucha menos distorsión armónica que un LCC comparable y la conexión de doce pulsos es innecesaria. Esto simplifica la construcción del transformador convertidor. Sin embargo, hay varias configuraciones diferentes de convertidores de fuente de voltaje [28] y se continúa investigando sobre nuevas alternativas.
Convertidor de dos niveles
Desde el primer esquema VSC-HVDC instalado (el enlace experimental Hellsjön encargado en Suecia en 1997 [7] ) hasta 2012, la mayoría de los sistemas VSC HVDC construidos se basaron en el convertidor de dos niveles . El convertidor de dos niveles es el tipo más simple de convertidor de fuente de voltaje trifásico [29] y se puede considerar como un puente de seis pulsos en el que los tiristores han sido reemplazados por IGBT con diodos en paralelo inverso y los reactores de suavizado de CC. han sido reemplazados por condensadores de suavizado de CC . Dichos convertidores derivan su nombre del hecho de que el voltaje en la salida de CA de cada fase se conmuta entre dos niveles de voltaje discretos, correspondientes a los potenciales eléctricos de los terminales de CC positivo y negativo. Cuando se enciende la parte superior de las dos válvulas en una fase, el terminal de salida de CA se conecta al terminal de CC positivo, lo que da como resultado un voltaje de salida de + ½ U d con respecto al potencial del punto medio del convertidor. A la inversa, cuando se enciende la válvula inferior en una fase, el terminal de salida de CA se conecta al terminal de CC negativo, lo que da como resultado un voltaje de salida de -½ U d . Las dos válvulas correspondientes a una fase nunca deben encenderse simultáneamente, ya que esto daría lugar a una descarga incontrolada del condensador de CC, con riesgo de daños graves al equipo convertidor.
![]() Convertidor de fuente de voltaje trifásico de dos niveles para HVDC | ![]() Principio de funcionamiento del convertidor de 2 niveles, representación monofásica (voltaje en el gráfico: voltaje de salida con respecto al punto medio del bus de CC) |
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/72/Pwm.svg/220px-Pwm.svg.png)
La forma de onda más simple (y también la de mayor amplitud) que puede producir un convertidor de dos niveles es una onda cuadrada ; sin embargo, esto produciría niveles inaceptables de distorsión armónica, por lo que siempre se usa alguna forma de modulación de ancho de pulso (PWM) para mejorar la distorsión armónica del convertidor. Como resultado del PWM, los IGBT se encienden y apagan muchas veces (normalmente 20) en cada ciclo de red. [30] Esto da como resultado altas pérdidas de conmutación en los IGBT y reduce la eficiencia de transmisión general . Varias estrategias PWM diferentes son posibles para HVDC [31] pero en todos los casos la eficiencia del convertidor de dos niveles es significativamente menor que la de un LCC debido a las mayores pérdidas de conmutación. Una estación convertidora LCC HVDC típica tiene pérdidas de potencia de alrededor del 0,7% a plena carga (por extremo, excluyendo la línea o cable HVDC), mientras que con convertidores de fuente de voltaje de 2 niveles la cifra equivalente es 2-3% por extremo.
Otra desventaja del convertidor de dos niveles es que, para lograr los voltajes de operación muy altos requeridos para un esquema HVDC, varios cientos de IGBT deben conectarse en serie y conmutarse simultáneamente en cada válvula. [32] Esto requiere tipos especializados de IGBT con circuitos de activación de compuerta sofisticados y puede provocar niveles muy altos de interferencia electromagnética .
Convertidor de tres niveles
En un intento por mejorar el pobre desempeño armónico del convertidor de dos niveles, algunos sistemas HVDC se han construido con convertidores de tres niveles . Los convertidores de tres niveles pueden sintetizar tres (en lugar de solo dos) niveles de voltaje discretos en el terminal de CA de cada fase: + ½ U d , 0 y -½ U d . Un tipo común de convertidor de tres niveles es el convertidor con abrazadera de diodo (o con abrazadera de punto neutro ), donde cada fase contiene cuatro válvulas IGBT, cada una clasificada a la mitad del voltaje de línea a línea de CC, junto con dos válvulas de diodo de abrazadera. [32] El condensador de CC se divide en dos ramas conectadas en serie, con las válvulas de diodo de sujeción conectadas entre el punto medio del condensador y los puntos de un cuarto y tres cuartos en cada fase. Para obtener un voltaje de salida positivo (+ ½ U d ) se encienden las dos válvulas IGBT superiores, para obtener un voltaje de salida negativo (-½ U d ) se encienden las dos válvulas IGBT inferiores y para obtener un voltaje de salida cero las dos del medio Las válvulas IGBT están encendidas. En este último estado, las dos válvulas de diodo de sujeción completan el recorrido de la corriente a través de la fase.
![]() Convertidor de fuente de voltaje trifásico, de tres niveles, sujeto a diodos para HVDC | ![]() Principio de funcionamiento del convertidor de 3 niveles, con sujeción por diodos, representación monofásica |
En un perfeccionamiento del convertidor con abrazadera de diodo, el llamado convertidor con abrazadera de punto neutro activo , las válvulas de diodo de abrazadera se reemplazan por válvulas IGBT, lo que brinda una capacidad de control adicional. Estos convertidores se utilizaron en el proyecto Murraylink [33] en Australia y en el enlace Cross Sound Cable en los Estados Unidos . [34] Sin embargo, la modesta mejora en el rendimiento armónico tuvo un precio considerable en términos de mayor complejidad, y el diseño resultó ser difícil de escalar hasta voltajes de CC superiores a los ± 150 kV utilizados en esos dos proyectos.
Otro tipo de convertidor de tres niveles, que se utiliza en algunos variadores de velocidad pero nunca en HVDC, reemplaza las válvulas de diodo de sujeción por un capacitor de vuelo aislado, separado, conectado entre los puntos de un cuarto y tres cuartos. [32] El principio de funcionamiento es similar al del convertidor con abrazadera de diodo. Tanto las variantes de condensador de diodo sujeto como de condensador volador del convertidor de tres niveles se pueden extender a un mayor número de niveles de salida (por ejemplo, cinco), pero la complejidad del circuito aumenta de manera desproporcionada y dichos circuitos no se han considerado prácticos para aplicaciones de HVDC.
Convertidor modular de niveles múltiples (MMC)
Propuesto por primera vez para aplicaciones HVDC en 2003 por Marquardt [8] y utilizado comercialmente por primera vez en el proyecto Trans Bay Cable en San Francisco , [35] el convertidor modular multinivel (MMC) se está convirtiendo ahora en el tipo más común de convertidor de fuente de voltaje para HVDC. [36]
![]() Convertidor trifásico modular multinivel (MMC) para HVDC. | ![]() Principio de funcionamiento del convertidor modular multinivel (MMC) para HVDC, con cuatro submódulos conectados en serie por válvula. Para mayor claridad, solo se muestra una fase de las tres. |
Al igual que el convertidor de dos niveles y el convertidor de línea conmutada de seis pulsos, un MMC consta de seis válvulas, cada una de las cuales conecta un terminal de CA a un terminal de CC. Sin embargo, cuando cada válvula del convertidor de dos niveles es efectivamente un interruptor controlado de alto voltaje que consta de una gran cantidad de IGBT conectados en serie, cada válvula de un MMC es una fuente de voltaje controlable independiente por derecho propio. Cada válvula MMC consta de varios submódulos convertidores independientes , cada uno con su propio condensador de almacenamiento. En la forma más común del circuito, la variante de medio puente , cada submódulo contiene dos IGBT conectados en serie a través del condensador, con la conexión del punto medio y uno de los dos terminales del condensador como conexiones externas. [35] Dependiendo de cuál de los dos IGBT de cada submódulo esté encendido, el condensador se deriva o se conecta al circuito. Por lo tanto, cada submódulo actúa como un convertidor independiente de dos niveles que genera un voltaje de 0 o U sm (donde U sm es el voltaje del capacitor del submódulo). Con un número adecuado de submódulos conectados en serie, la válvula puede sintetizar una forma de onda de voltaje escalonada que se aproxima mucho a una onda sinusoidal y contiene niveles muy bajos de distorsión armónica.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/4f/Modular_Multi_Level_Converter_submodule_states.png/220px-Modular_Multi_Level_Converter_submodule_states.png)
El MMC se diferencia de otros tipos de convertidores en que la corriente fluye continuamente en las seis válvulas del convertidor a lo largo del ciclo de frecuencia de la red. Como resultado, conceptos como "en el estado" y "fuera del estado" no tienen significado en la MMC. La corriente continua se divide por igual en las tres fases y la corriente alterna se divide por igual en la válvula superior e inferior de cada fase. [35] Por lo tanto, la corriente en cada válvula está relacionada con la corriente continua I d y la corriente alterna I ac de la siguiente manera:
Válvula superior:
Válvula inferior:
Un MMC típico para una aplicación HVDC contiene alrededor de 300 submódulos conectados en serie en cada válvula y, por lo tanto, es equivalente a un convertidor de nivel 301. En consecuencia, el rendimiento armónico es excelente y, por lo general, no se necesitan filtros. Una ventaja adicional del MMC es que PWM no es necesario, con el resultado de que las pérdidas de potencia son mucho menores que las del convertidor de 2 niveles, alrededor del 1% por extremo. [37] [36] [38] Finalmente, debido a que la conexión directa en serie de los IGBT no es necesaria, las unidades de compuerta IGBT no necesitan ser tan sofisticadas como las de un convertidor de 2 niveles.
El MMC tiene dos desventajas principales. En primer lugar, el control es mucho más complejo que el de un convertidor de 2 niveles. Equilibrar los voltajes de cada uno de los condensadores del submódulo es un desafío importante y requiere una potencia de cálculo considerable y comunicaciones de alta velocidad entre la unidad de control central y la válvula. En segundo lugar, los propios condensadores del submódulo son grandes y voluminosos. [39] Un MMC es considerablemente más grande que un convertidor de 2 niveles de clasificación comparable, aunque esto puede compensarse por el ahorro de espacio al no requerir filtros.
A partir de 2012, el sistema MMC HVDC de mayor capacidad en funcionamiento sigue siendo el esquema de cable Trans Bay de 400 MW , pero se están construyendo muchos esquemas más grandes, incluida una interconexión de cable subterráneo de Francia a España que consta de dos enlaces de 1000 MW en paralelo a un voltaje de ± 320 kV. [40]
Variantes de MMC
Una variante del MMC, propuesta por un fabricante, implica conectar varios IGBT en serie en cada uno de los dos conmutadores que componen el submódulo. Esto da una forma de onda de voltaje de salida con menos pasos más grandes que la disposición convencional de MMC. Esta disposición se conoce como convertidor en cascada de dos niveles (CTL). [37] Funcionalmente, es exactamente equivalente al MMC de medio puente convencional en todos los aspectos, excepto por el rendimiento armónico, que es ligeramente inferior, aunque todavía se afirma que es lo suficientemente bueno como para evitar la necesidad de filtrado en la mayoría de los casos.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/e/e5/Full_Bridge_MMC_submodule.png/220px-Full_Bridge_MMC_submodule.png)
Otra alternativa reemplaza el submódulo MMC de medio puente descrito anteriormente, con un submódulo de puente completo que contiene cuatro IGBT en una disposición de puente H , en lugar de dos. [41] La variante de puente completo de MMC permite insertar el condensador del submódulo en el circuito en cualquier polaridad. Esto confiere flexibilidad adicional en el control del convertidor y permite que el convertidor bloquee la corriente de falla que surge de un cortocircuito entre los terminales CC positivo y negativo (algo que es imposible con cualquiera de los tipos anteriores de VSC). Además, permite que la tensión CC sea de cualquier polaridad (como un esquema LCC HVDC), dando lugar a la posibilidad de sistemas híbridos LCC y VSC HVDC. Sin embargo, la disposición de puente completo requiere el doble de IGBT y tiene mayores pérdidas de potencia que la disposición de medio puente equivalente.
Otros tipos de convertidores de fuente de voltaje
Se han propuesto varios otros tipos de convertidores, que combinan características de los convertidores de dos niveles y multinivel modulares. [42] Estos sistemas VSC híbridos tienen como objetivo lograr las bajas pérdidas y el alto rendimiento armónico del MMC con un diseño más compacto y una mayor capacidad de control, pero estos conceptos aún se encuentran en la etapa de investigación. [43]
Ver también
- Corriente continua de alto voltaje
- Estación convertidora de HVDC
- Lista de proyectos HVDC
- Rectificador
- Inversor (eléctrico)
- Válvula de arco de mercurio
- Tiristor
- Transistor Bipolar de Puerta Aislada
Referencias
- ^ a b Arrillaga, Jos; Transmisión de corriente continua de alto voltaje, segunda edición, Institución de ingenieros eléctricos, ISBN 0852969414 , 1998, Capítulo 1, págs. 1-9.
- ^ a b Davidson, CC, Preedy, RM, Cao, J., Zhou, C., Fu, J., Válvulas de tiristor de potencia ultra alta para HVDC en países en desarrollo, IET 9th International Conference on AC / DC Power Transmission, Londres, octubre de 2010.
- ^ a b Skog, JE, van Asten, H., Worzyk, T., Andersrød, T., Norned - El cable de alimentación más largo del mundo, sesión CIGRÉ , París, 2010, referencia del artículo B1-106 Archivado el 23 de septiembre de 2015 en el Wayback Machine .
- ^ Rowe, BA, Goodrich, FG, Herbert, IR, Puesta en servicio del enlace hvdc Cross Channel, GEC Review, vol. 3, N ° 2, 1987.
- ^ Praça, A., Arakari, H., Alves, SR, Eriksson, K., Graham, J., Biledt, G., Itaipu HVDC Transmission System - 10 años de experiencia operativa , V SEPOPE, Recife , mayo de 1996.
- ^ a b c Peake, O., La historia de la transmisión de corriente continua de alto voltaje , 3ra Conferencia de herencia de ingeniería de Australasia 2009
- ^ a b Asplund, G., Svensson, K., Jiang, H., Lindberg, J., Pålsson, R., transmisión de CC basada en convertidores de fuente de voltaje, sesión de CIGRÉ , París, 1998, referencia del documento 14-302.
- ^ a b Lesnicar, A., Marquardt, R., Una innovadora topología de convertidor modular multinivel para un amplio rango de potencia, IEEE Power Tech Conference, Bolonia, Italia, junio de 2003.
- ^ Black, RM, The History of Electric Wires and Cable , Peter Peregrinus, Londres, 1983, ISBN 0-86341-001-4 , pág. 95
- ^ Kimbark, EW, Transmisión de corriente directa, volumen 1, Wiley Interscience, 1971, pp3–4.
- ^ a b c d e f g Arrillaga, Jos; Transmisión de corriente continua de alto voltaje, segunda edición, Instituto de Ingenieros Eléctricos, ISBN 0-85296-941-4 , 1998, Capítulo 2, págs. 10-55.
- ^ Kimbark, EW, Transmisión de corriente directa, volumen 1, Wiley Interscience, 1971, págs. 71-128.
- ^ Williams, BW, Power Electronics - dispositivos, controladores y aplicaciones, Macmillan Press, ISBN 0-333-57351-X , 1992, págs. 287–291.
- ^ Kimbark, EW, Transmisión de corriente directa, volumen 1, Wiley Interscience, 1971, p 75.
- ^ Mohan, N., Undeland, TM, Robbins, WP, Power Electronics - convertidores, aplicaciones y diseño, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-58408-8 , 1995, págs. 148-150.
- ^ a b c Arrillaga, Jos; Transmisión de corriente continua de alto voltaje, segunda edición, Instituto de Ingenieros Eléctricos, ISBN 0-85296-941-4 , 1998, Capítulo 7, págs. 159-199.
- ^ Rissik, H., Convertidores de corriente de arco de mercurio, Pitman. 1941.
- ^ Cory, BJ, Adamson, C., Ainsworth, JD, Freris, LL, Funke, B., Harris, LA, Sykes, JHM, Convertidores y sistemas de corriente continua de alto voltaje, Macdonald & Co. (editores) Ltd, 1965, Capítulo 3.
- ^ "Lista IEEE de ganadores del premio Uno Lamm" . Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2012 . Consultado el 20 de diciembre de 2012 .
- ^ a b c Nekrasov, AM, Posse, AV, Trabajo realizado en la Unión Soviética sobre transmisión de energía CC de alta tensión y larga distancia, AIEE Transactions, Vol. 78, parte 3A, agosto de 1959, págs. 515–521.
- ^ Calverley TE, Gavrilovic, A., Last FH, Mott CW, The Kingsnorth-Beddington-Willesden DC Link, CIGRÉ session, París, 1968, documento 43-04.
- ^ Cogle, TCJ, The Nelson River Project - Manitoba Hydro explota recursos hidroeléctricos subárticos, Electrical Review, 23 de noviembre de 1973.
- ^ a b "Lista de hitos de IEEE" . Red de historia global IEEE . IEEE . Consultado el 20 de diciembre de 2012 .
- ^ Compendio de esquemas HVDC, Folleto técnico de CIGRÉ No. 003 Archivado 2014-07-08 en Wayback Machine , 1987.
- ^ Transmisión de corriente continua de alto voltaje: tecnología probada para intercambio de energía ,publicación de Siemens .
- ^ Transmisión de potencia de corriente continua de alto voltaje (HVDC) mediante convertidores de voltaje (VSC), IEC / TR 62543: 2011.
- ^ Callavik, M., Redes HVDC para transmisión costa afuera y en tierra , Conferencia EWEA, Amsterdam , 2011.
- ^ Válvulas de convertidor de fuente de voltaje (VSC) para transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) - Pruebas eléctricas, IEC 62501: 2009, Anexo A.
- ^ Mohan, N., Undeland, TM, Robbins, WP, Power Electronics - convertidores, aplicaciones y diseño, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-58408-8 , 1995, págs. 225-236.
- ^ Williams, BW, Power Electronics - dispositivos, controladores y aplicaciones, Macmillan Press, ISBN 0-333-57351-X , 1992, págs. 359–371.
- ^ Pruebas de componentes del sistema VSC para aplicaciones HVDC, Folleto técnico de CIGRÉ No. 447 , 2011.
- ^ a b c VSC Transmission, CIGRÉ Technical Brochure No. 269 Archivado el 4 de febrero de 2016 en Wayback Machine , 2005.
- ^ Mattsson, I., Railing, BD, Williams, B., Moreau, G., Clarke, CD, Ericsson, A., Miller, JJ, Murraylink - el cable HVDC subterráneo más largo del mundo,sesión de CIGRÉ , París, 2004 , documento de referencia B4-103 .
- ^ Railing, BD, Miller, JJ, Steckley, P., Moreau, G., Bard, P., Ronström, L., Lindberg, J., Proyecto Cross Sound Cable - tecnología VSC de segunda generación para HVDC,sesión CIGRÉ , París , 2004, artículo de referencia B4-102 .
- ^ a b c Westerweller T., Friedrich, K., Armonies, U., Orini, A., Parquet, D., Wehn, S., Trans Bay cable - primer sistema HVDC del mundo que utiliza un convertidor de fuente de voltaje multinivel, sesión CIGRÉ , París, 2010, artículo de referencia B4-101 .
- ^ a b "Diseño, Modelado y Control de Sistemas HVDC basados en Convertidores Modulares Multinivel. - Repositorio Digital NCSU" . www.lib.ncsu.edu . Consultado el 17 de abril de 2016 .
- ^ a b Jacobsson, B., Karlsson, P., Asplund, G., Harnefors, L., Jonsson, T., VSC - Transmisión HVDC con convertidores de dos niveles en cascada, sesión CIGRÉ , París, 2010, referencia del documento B4- 110 .
- ^ Falahi, G .; Huang, AQ (1 de septiembre de 2015). "Consideración de diseño de un sistema MMC-HVDC basado en tiristor de apagado de emisor (ETO) de 4500V / 4000A". Congreso y exposición de conversión de energía IEEE 2015 (ECCE) : 3462–3467. doi : 10.1109 / ECCE.2015.7310149 . ISBN 978-1-4673-7151-3.
- ^ Davidson, CC, Trainer, DR, conceptos innovadores para convertidores híbridos multinivel para transmisión de energía HVDC, IET 9th International Conference on AC and DC Power Transmission, Londres, 2010.
- ^ Interconector INELFE ,publicación de Siemens .
- ^ MacLeod, NM, Lancaster, AC, Oates, CDM, El desarrollo de un bloque de construcción de electrónica de potencia para su uso en convertidores de fuente de voltaje para aplicaciones de transmisión HVDC,Coloquio CIGRÉ , Bergen, Noruega, 2009.
- ^ Convertidor de fuente de voltaje (VSC) HVDC para transmisión de energía - Aspectos económicos y comparación con otras tecnologías de CA y CC, Folleto técnico de CIGRÉ No. 492 Archivado 2016-02-04 en Wayback Machine , abril de 2012, sección 2.5.3
- ^ Entrenador, DR, Davidson, CC, Oates, CDM, MacLeod, NM, Critchley, DR, Crookes, RW, A New Hybrid Voltage-Sourced Converter for HVDC Power Transmission, CIGRÉ session, París, 2010, documento de referencia B4-111 .
Otras lecturas
- Arrillaga, Jos; Transmisión de corriente continua de alto voltaje, segunda edición, Instituto de Ingenieros Eléctricos, ISBN 0-85296-941-4 , 1998.
- Kimbark, EW, Transmisión de corriente continua, volumen 1, Wiley Interscience, 1971.
- Cory, BJ, Adamson, C., Ainsworth, JD, Freris, LL, Funke, B., Harris, LA, Sykes, JHM, Convertidores y sistemas de corriente continua de alto voltaje, Macdonald & Co. (editores) Ltd, 1965.
- Williams, BW, Power Electronics: dispositivos, controladores y aplicaciones, Macmillan Press, ISBN 0-333-57351-X , 1992.
- Mohan, N., Undeland, TM, Robbins, WP, Power Electronics - convertidores, aplicaciones y diseño, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-58408-8 , 1995.
enlaces externos
- Compendio CIGRÉ B4 de esquemas HVDC, 2009.
- [1]