VII JORNADAS TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE CORRIENTE CONTINUA EN ALTA TENSIÓN - HVDC 23 de Agosto de 2016 Convenio de Investigación 2 ISAGEN y UniAndes establecieron un convenio de cooperación para el estudio de conexión de fuentes de energía eólica a sistemas de potencia. Estudio de tecnologías: Parques BESS HVDC Eólicos Equipo de Investigación 3 UniAndes ISAGEN DIEE Investigación Prof. Desarrollo Ing. Luis Alberto Posada Ing. Hernán Palacios Mario A. Ríos (Director Proyecto de Investigación) Prof. Gustavo Ramos Ing. Diego Gómez Ing. María Paula González Ing. Andrés Vera y Contenido 4 Estado del Arte HVDC Componentes básicos y tecnologías Topologías y configuraciones Ventajas y desventajas Metodología de Selección de Voltaje DC Conversión HVAC a HVDC Algunos Proyectos de HVDC en UniAndes Conclusiones 5 Fuente: http://www.lntecc.com/homepage/PTD/gallery.html Estado del Arte Tecnología HVDC Clásico (LCC) 6 Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development Topics Tecnología madura y, por tanto, la más usada en la actualidad. Convertidores de potencia de 6 o 12 pulsos compuestos por válvulas de tiristores. Voltajes hasta ±800 kV. Requiere compensación Q. Mínima capacidad de corto en el POI >= 2 capacidad nominal del conversor. Tecnología HVDC - VSC 7 Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development Topics Tecnología aún en desarrollo de mayores niveles de tensión y capacidad. Convertidores de potencia de válvulas IGBT auto conmutadas. Voltajes hasta ±450 kV (según proyectos implementados). No requiere compensación Q. No requiere una mínima capacidad de corto en el POI. TECNOLOGÍA HVDC-LCC Tecnología basada en Tiristores. TECNOLOGÍA HVDC-VSC Tecnología basada en Transistores de potencia IGBT. Encendido del semiconductor por acción de control. Encendido y apagado del semiconductor Apagado del semiconductor depende del por acción de control. voltaje de la red. Convertidores de potencia de 6 y 12 Convertidores de potencia multinivel pulsos. y multiterminal. Control basado en ángulo de Estrategias de control PWM o encendido. vectorial. Alta capacidad de potencia. Menor capacidad de potencia. Alguna capacidad de sobrecarga. Genera distorsión amónica. Requiere grandes filtros Pérdidas 0,8 - 0,9% por estación conversora. Requiere compensación reactiva del 30 60% de la capacidad total. Las estaciones conversoras necesitan amplias áreas por los filtros y la compensación reactiva. Menor costo de inversión. Tecnología madura. Sin capacidad de sobrecarga. Bajo contenido armónico. Requiere algunos filtros pequeños Pérdidas 1,1 - 1,4% por estación conversora. Puede consumir e inyectar potencia reactiva como un STATCOM. Reducción de un 40 - 50% del área requerida por una estación LCC. Costo de equipos elevado. Tecnología menos madura. 8 Potencia Reactiva 9 HVDC – Clásico (LCC) Requiere soporte de Q SVC – STATCOM – FC HVDC – VSC Controla Q Fuente: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=112 Fuente: ABB, “HVDC Light”, 2012 Topologías de conexión 10 Conexión Monopolar Cuenta con un solo conductor para la transmisión de potencia. Retorno metálico o por tierra. Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/powertransmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-powertransmission.htm#content=Monopolar%20LongDistance%20DC%20Transmission Topologías de conexión 11 Conexión Bipolar Conformada por dos sistemas monopolares. Cuenta con un polo positivo y uno negativo. Proporciona mayor confiabilidad. Retorno metálico o por tierra Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/powertransmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-powertransmission.htm#content=Monopolar%20LongDistance%20DC%20Transmission Otras Configuraciones 12 Conexión Back-toBack Acople de sistemas AC asíncronos cercanos. No requiere líneas de transmisión. Conexión puede ser monopolar o bipolar Otras Configuraciones 13 Multiterminal Conexión de 3 o más estaciones conversoras. Requiere estaciones de tecnología VSC. En investigación y desarrollo Desarrollo de Interruptores DC en AT Fuente: Siemens, “The Smart Way”, 2011 Ejemplos de HVDC LCC 14 HVDC Classic (2014) EstLink 2 HVDC, transmisión entre Finlandia y Estonia 670 MW, monopolar Voltaje ± 400 kV Cable submarino 171 km Fuente: http://www.energy.siemens.com/br/en/powertransmission/hvdc/references.htm# , Siemens HVDC references. HVDC Classic (2013) Rio Madeira, “the longest transmission link in the world” 3150 MW, bipolar Voltaje ± 600 kV Línea aérea 2375 km Fuente: http://new.abb.com/systems/hvdc/references/rio-madeira , ABB HVDC Classic (LCC) reference projects. Ejemplos de HVDC VSC 15 Ej. Alternativa considerada Suecia – Southlink 250 km Alt. 1: 400 kV AC Alt. 2: HVDC-VSC ±300 kV (500 – 700 MW) Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development Topics Ejemplos de HVDC VSC 16 HVDC PLUS (2010) Trans Bay Cable Link, San Francisco, USA 400 MW ± 170 MVAr Soporte de Potencia Reactiva Voltaje ± 200 kV Cable submarino 53 mi Fuente: Siemens, “The Smart Way”, 2011 HVDC Light (2006) Estonia 350 MW Voltaje ± 150 kV Cable submarino 2 x 105 km Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development Topics Ejemplos 17 Nombre del Proyecto Estación 1 Caprivi Link Namibia - Gerus HVDC Inter Island 3 Terranora interconnector (Directlink) New Zealand Benmore Australia Mullumbimby África Distancia total [km] Estación 2 Namibia 950 Zambezi Australia y Oceanía New Zealand 611 Haywards Australia Bungalora 59 Voltaje [kV] Potencia [MW] Año Tecnología 350 300 2010 VSC 350 735 2013 LCC 80 180 2000 VSC Asia Xiangjiaba China - Fulong Shanghai Three Gorges China - Jingzhou Guangdong China - Fengxia 1980 800 6400 2010 LCC China - Huizhou 940 500 3000 2004 LCC ±200 500 2012 VSC 250 400 2011 LCC 450 2250 1991 LCC 600 7100 2013 LCC Europa East West Interconnector Ireland Woodland Cometa Spain - Morvedre Quebec - New England Transmission Canada Radisson UK - Shotton, 130 Wales Spain - Santa 247 Ponsa Norte América Canada - Nicolet; USA - Ayer 1105 Sur América Rio Madeira Brazil, Porto Velho Brazil, Araraquara 2375 Ventajas del HVDC 18 Mayor capacidad de transmisión de potencia. Independientemente de la distancia. A través de cables submarinos o subterráneos. Rápido control del flujo de potencia a través de la línea. Acople/desacople de grandes sistemas síncronos o asíncronos. Menores pérdidas técnicas. Menor impacto ambiental y visual. Servidumbres 19 Fuente: www.energy.siemens.com Servidumbres 20 Fuente: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1/ R. Hamerly, “Direct Current Transmission Lines”, 2010 Servidumbres 21 Nótese: No se debe comparar servidumbres de 500 kV DC con servidumbres de 500 kV AC. Se debe comparar con la servidumbre del nivel DC requerido para transportar la misma potencia. Fuente: http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4404 090 S. Taranovikch “Has Thomas Edison ultimately won the DC vs AC power transmission controversy against Tesla?”, 2013 Servidumbres 22 Rangos de Servidumbres utilizados en Estados Unidos Voltaje kVDC < 230 230 345 Fuente. J. Molburg, J. Kavicky y K. Picel, The Design, Construction and Operation of Long-Distance High-Voltage Electricity Transmission Technologies, Chicago: Argonne National Laboratory, 2007. 500 Rango de la Servidumbre m < 15 15 - 38 > 38 < 23 23 - 38 > 38 < 23 23 - 38 > 38 < 38 38 - 53 > 53 Cant. Reportada 51 41 7 40 36 30 6 36 30 4 21 13 23 1 2 3 5 Metodología de Selección de Voltaje DC 4 Selección de nivel de Voltaje HVDC 24 1 2 3 4 5 Nodo 1 220 500 Alternativas nivel de tensión [kV] Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 110 110 34,5 115 115 138 138 161 161 220 220 230 230 345 345 400 400 Factores de conversión Vdc - 5 297 310,5 372,6 434,7 594 621 931,5 1.080 AC/DC 2,7 Haz 2 Polos 2 Circuitos 1 Límite Vdc LCC [kV] 1.100 Límite Vdc VSC [kV] 640 Límite Idc LCC [A] 4.000 Límite Idc VSC [A] 2.000 Dirk Van Hertem, Mehrdad Ghandhari, «Multi-terminal VSC HVDC for the European supergrid: Obstacles,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 14, Issue 9, December 2010, pp. 3156-3163. Metodología de Selección 25 1. Costo de la línea: Parámetros: 2. Costo de pérdidas: 3. Costo de estación: 4. Costo estructuras y servidumbre: Ces = Cest + Cserv J. A. Jardini y J. F. Nolasco, «Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC Projects,» CIGRÉ, Brazil, 2008. Metodología de Selección 26 Modelo de optimización: CTotal = Cline V, S + VPN(CLj V, S, P , i) ∙ L + Css V, P + Ces y CTotal D1 P B +F = A1 + B1 ∙ V + C1 ∙ S + ∙ L + E P ∙ V 1 1 S ∙ V2 Restricción: Parámetros de entrada: P ≤S∙V ρ ∙ #Haz ∙ Polos V: Nivel de tensión (kV) S: Calibre del conductor (kcmil) L: Longitud de la línea (km) P: Potencia de transmisión (MW) J. A. Jardini y J. F. Nolasco, «Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC Projects,» CIGRÉ, Brazil, 2008. Análisis de Sensibilidad 27 Análisis de Sensibilidad (Cambio niveles de tensión opcionales) 28 ¿Qué dicen los fabricantes? 29 Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf HVDC Development Topics 30 Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 Conversión HVAC a HVDC Conversión HVAC a HVDC 31 Fuente: http://www.slideshare.net/priteshpriyadarshi7/hvdc-facts Conversión HVAC a HVDC 32 ④ ③ ① ② Ref. [15] TOPOLOGÍA DE CIRCUITO VOLTAJE LÍMITE TÉRMICO CAPACIDAD AUMENTO CAPACIDAD DERECHO DE VÍA ① 2 circuitos 220 kV 0.8 kA 610 MVA --- 38 metros ② 3 bipolos ±350 kV 0.8 kA 1680 MW 2.75 29.5 metros ③ 2 bipolos ±300 kV 0.8 kA 1440 MW 2.36 26 metros ④ 2 bipolos ±300 kV 0.8 kA y 1.6 kA 960 MW 1.57 30 metros Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) Conversión HVAC a HVDC 33 Tipo A: Intervención simple con modificaciones menores en la estructura que pueden ser realizadas haciendo cambios admisibles en la altura de los conductores con respecto a tierra durante el proceso de conversión. Tipo B: Intervención mayor de las estructuras que no permite que todos los conductores puedan ser ubicados a una distancia adecuada con respecto a tierra durante la conversión. Conversión HVAC a HVDC 34 Conversión de doble circuito a un bipolo con modificación de estructura Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) Conversión HVAC a HVDC 35 Conversión de circuito sencillo a monopolo con modificación de estructura Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) Conversión HVAC a HVDC 36 Conversión de doble circuito a tres bipolos sin modificación de estructura Escoger apropiadamente el nivel de tensión DC Distancias de seguridad y Aisladores Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) Conversión HVAC a HVDC 37 Conversión de doble circuito a esquema híbrido con un bipolo Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) Conversión HVAC a HVDC 38 Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr. Mario Alberto Ríos) 39 Algunos Proyectos de HVDC en UniAndes Proyectos de investigación relacionados con HVDC en Uniandes 40 Transient Stability studies of offshore wind farms connected as a supergrid with VSC-HVD Camilo A. Ordóñez M. Mario A. Ríos M. Cigré International Symposium – Bologna, 2011 HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view Gloria M. Martínez Mario A. Ríos M. Cigré International Symposium – Bologna, 2011 Transient Stability studies of offshore wind farms connected as a Supergrid with VSC-HVDC 41 Caso A Caso B Caso C C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. Análisis de Perturbación (Falla) 42 Potencia activa (MW) Vs. Tiempo (s) para generadores 1, 3 y 5, ante falla en el parque 1. Gen 5 no oscila Potencia activa de generadores (MW) No oscila ningún generador Potencia activa de generadores (MW) 1200 750 1000 Gen1 Gen3 Gen5 1100 Gen1 Gen3 Gen5 900 Gen1 Gen3 Gen5 700 1000 600 800 Potencia activa (MW) Potencia activa (MW) 650 800 900 700 600 700 550 600 500 500 450 500 400 400 300 200 400 300 0 1 2 3 Tiempo(s) 4 5 6 200 350 300 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo(s) Caso A Caso B Caso C C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. Transient Stability studies of offshore wind farms connected as a supergrid with VSC-HVDC 43 Conclusiones Enlaces HVDC garantizan una mayor estabilidad transitoria en los sistemas de potencia. Disminuyen las oscilaciones electromecánicas entre dos o más áreas. Disminuyen la dependencia de estabilidad entre áreas. Disminuyen (eliminan) los modos inter-área. C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view 44 Sistema de potencia NETS y NYPS G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view 45 Interconexión híbrida entre NETS y NYPS G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view 46 Reemplazo del enlace AC por HVDC entre NETS y NYPS G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011. Comparación de Resultados de Estabilidad Transitoria 42 8.15 PG13 HVAC PG9 HVAC PG9 Hybrid PG13 Hybrid 40 PG13 HVDC PG9 HVDC Potencia G13 Potencia G9 8.1 38 8.05 36 8 34 7.95 32 7.9 30 7.85 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1.028 28 0 2 4 6 8 10 12 14 16 V9 HVAC 1.027 20 V15 HVAC V9 Hybrid V15 Hybrid 1.0004 V9 HVDC 1.026 Voltaje N15 Voltaje N9 18 1.0006 V15 HVDC 1.0002 1.025 1 1.024 1.023 0.9998 1.022 0.9996 1.021 0.9994 1.02 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.9992 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 47 HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view 48 Conclusiones La interconexión HVDC elimina los modos inter-área. Evita la propagación de oscilaciones electromecánicas entre áreas. Presenta tiempos de respuesta menores. Permite incrementar la distancia entre estaciones y la potencia transmitida. La interconexión hibrida no elimina por completo los modos inter-área. La interconexión HVDC no resuelve todos los problemas de estabilidad en el sistema de potencia. Conclusiones 49 HVDC-VSC es la tecnología de mayor proyección de utilización Redes Multiterminales en desarrollo Capacidades y niveles de tensión similares al HVDC Clásico en desarrollo El nivel de tensión de un enlace HVDC debe seleccionarse en función de la potencia a transmitir y la longitud. Ej: 300 kV, para P< 1450 MW para Long. = 250 km Conclusiones 50 Las servidumbres para HVDC < para HVAC para el mismo nivel de tensión. La servidumbre del nivel DC requerido para transportar la misma potencia en AC es mucho menor. La conversión de líneas HVAC en HVDC es una alternativa a considerar en el planeamiento de los sistemas de transmisión.