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TECNOLOGÍAS HVDC PARA CONEXIÓN DE PARQUE EÓLICOS EN COLOMBIA (ON-SHORE)
Camilo Ordonez Medina, [email protected]
Guillermo Vinasco, Msc., [email protected]
Tecnologías HVDC
LCC (convertidor de línea conmutada) VSC (convertidor de fuente de voltaje)
Utiliza conmutadores electrónicos que sólo pueden ser encendidos por control
Utiliza conmutadores electrónicos que pueden ser encendidos y apagados con control
Los conmutadores son basados en tiristores Los conmutadores son basados en transistores, hoy en día los bipolares de compuerta asilada (IGBT)
Modelo de fuente de corriente Modelo de fuente de voltaje
Genera distorsión armónica, se requieren filtros
Generación armónica de nivel muy bajo, no requiere filtros
Proyectos en operación o construcción
3
Zona
Número de proyectos
Longitud total
aprox. (km)
Máxima longitud en
operación (km)Máxima potencia
(MW)
Años de entrada en operación
vigentesTotal LCC VSC LCC VSC
Europa 54 26 28 13.000 580 450 2.500 1983 – 2015
Asia 54 51 3 36.000 2.192 134 8.0003 1977
Norteamérica 19 15 4 12.700 1.362 85 3.100 1970 - 2015
Suramérica 4 4 0 6.040 2.3751 - 7.100 1984 - 2017
Oceanía 5 3 2 2.400 611 176 735 1992 - 2013
África 3 2 1 4.000 1.700 9502 1.920 1979 - 2010
Total 139 101 38 71.140 2.375 950 8.000 1970 - 2017
Basado en información de https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_HVDC_projects
1. Rio Madeira en Brasil. Opera a ± 600 kV. 2x3150 MW, ABB y ALSTOM, año 20132. Caprivi. Conecta Namibia y Zambia, opera a -350 kV, 1x300 MW expandible a 2x300 MW, ABB, año 2010.3. Hami – Zhengzhou y Xiluodo - West Zhejiang. C-EPRI Electric Power Engineering, año 2014
Parque eólicos en Europa• Suelen ser off-shore, plataformas mar abierto; alto costo de ubicar equipos
(reactores, transformadores, convertidores, etc.).
• Necesidad de alimentar red muerta (plataforma marina).
• Ambiente salino (plataformas): equipos encapsulados, bajísimo mantenimiento.
• Potencias y distancias de conexión a tierra: London Array 630 MW 28 km, Gemini 600 MW 85 km, Gode Wind 1 2 3 900 MW 10 km, Dolwin1 800 MW 75 km, etc.).
• Por circunstancias anteriores, en Europa la elección de tecnología para conexión a red principal: HVDC VSC “Half-Bridge”(éxito comercial !).
Criterios para las simulacionesPROPUESTA DE REQUISITOS PARA COLOMBIA (Consultoria para EPM)
• Para sobretensión soportar un 20% durante 5 segundos.
• Margen de regulación del 3%, Banda Muerta de respuesta 30 mHz.
• Rangos de operación en frecuencia
• f < 57,5 Hz: Desconexión Opcional.
• 57,5 – 58,5 Hz: Disparo con temporización mínima de 15 s.
• 62,0 – 63,0 Hz: Disparo con temporización mayor a 15 s.
• f > 63,0 Hz: Desconexión forzada
• Etapa 1 EDAC 59,4 Hz a los 200 ms.
• Tensión de operación en falla:
Caso de estudio LCC clásico (bipolar)
, ,
2000 MW
+500 kV DC
-500 kV DC
LINEA DC 600 km
+
-
Estación Rectificadora
LINEA DC 600 km
Cerromatoso
500 kVAC
Sistema
Filtros A
C
, ,
Filtros A
C
Zcc
• Falla 50% línea-tierra DC. Modelo r.m.s.
• Reacción de tiristores. Restablecimiento de transferencia automática por controles del HVDC LCC. Sin utilizar capacidad de sobrecarga.
• Demanda mínima 2022, sin control de potencia eólica.
Parques Guajira
Colectora II
500 kVAC
Caso de estudio LCC clásico
Sistema de control rectificador Sistema de control inversor
Característica VDCOL
cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Caso de estudio VSC bipolar
, ,
2000 MW
+500 kV DC
-500 kV DC
LINEA DC 600 km
+
-
Estación Rectificadora
LINEA DC 600 km
VSC VSC
Cerromatoso
500 kVAC
Sistema
Zcc, ,
VSC VSC
• Falla 50% línea-tierra DC. Demanda mínima 2022. Modelo r.m.s
• En polo fallado el sistema AC “ve” un rectificador no controlado con carga de cortocircuito por 100 ms. Convertidores “Half-Bridge”, no permiten extinguir fallas DC sin apagar polo fallado 2 segundos.
• “Full-Bridge” desconexión de polo fallado (1 p.u. de transferencia) enlace por 300 ms. Sin control de potencia eólica.
• No hay capacidad de sobrecargas en “Half-Bridge” o “Full-Bridge” HVDC VSC.
Parques Guajira
Colectora II
500 kVAC
“Half Bridge” “Full Bridge”
Estación Inversora
Rectificador control de potencia activa
Rectificador control de tensión
(potencia reactiva)
Caso de estudio control VSC bipolar
Rectificador VSC
Inversor control de potencia activaInversor control de tensión
(potencia reactiva)
Inversor VSC
Caso de estudio control VSC bipolar
Resultados HVDC VSC
bipolarhalf-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar half-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar half-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar half-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar half-bridge
Resultados HVDC VSC
bipolarfull-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar full-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar full-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar full-bridge
Conclusiones• HVDC LCC y VSC proveen interesantes funcionalidades de controlabilidad.
• Los desarrollos comerciales y proyecto en servicio VSC han sido optimizados para sistemas en cable aislado. La recuperación de fallas no ha sido un objetivo determinante, por lo cual no suprimen falla del lado DC.
• No se vislumbra la aplicación comercial de “fast-DC-breakers” (en especial para 500 kV DC por costos).
• El retorno metálico permite que por el polo no fallado se mantenga la transferencia de parte de la potencia (incluso más de la mitad, si se diseña para sobrecarga)
• Sin control de potencia eólica (e.g. Chopper Circuit) ni respuesta de reguladores de velocidad en turbinas eólicas, los dos sistemas AC, Colectora y Cerro, pierden generación y carga respectivamente (EDAC).
LCC bipolar
• El control de ángulos de disparo permiten extraer la energía de la falla, permitiendo un rápido restablecimiento (rectificador como inversor temporalmente).
VSC bipolar
• La transferencia de potencia se recupera en 2 segundos en Half Bridge y en 300 ms en el caso de Full Bridge. Este último evita la desconexión completa del enlace.
¡Gracias!¿Preguntas?
Camilo Andrés Ordóñez Medina, [email protected]
Guillermo Enrique Vinasco, Msc., [email protected]
