Redes eficientes energéticamente Transmisión de ultra alta tensión Escenarios alternativos para la transmisión masiva de energía eléctrica de 800 kV HVDC y 1000 kV HVAC a largas distancias Gunnar Asplund El consumo global de energía crece continuamente pero, además, la energía se obtiene con mayor frecuencia de recursos situados muy lejos del punto de consumo. Cada día es más importante el transporte de energía a largas distancias. El petróleo se transporta frecuentemente en superpetroleros y el gas por gasoductos. El carbón empleado para producir electricidad usa el transporte ferroviario, una solución que puede exigir un costoso reforzamiento de los sistemas de vías. Puede resultar más económico generar la electricidad 22 cerca de los yacimientos de carbón y transmitirla a los consumidores. Dado que la producción de energías renovables como la hidroeléctrica, la eólica y la solar está condicionada por la localización, a menudo no hay alternativa a la transmisión a largas distancias. Por consiguiente, la transmisión de energía eléctrica está llamada a desempeñar una función más y más importante. En este artículo, Revista ABB estudia los últimos avances en el campo de la transmisión masiva de energía eléctrica. Revista ABB 2/2007 Transmisión de ultra alta tensión Redes eficientes energéticamente D Potencia en MW esde la llegada de la años y las soluciones actuales 1 La capacidad de una línea de CA se degrada al aumentar la longitud: transmisión de electricino tienen por qué ser las miseste gráfico corresponde a una línea de 1.000 kV con una compensación dad, la corriente alterna CA mas que en su momento adopmáxima del 70 % y un ángulo de fase de 30 grados entre terminales. ha arraigado como principal taron los países de la OCDE. tecnología para las redes elécLa corriente alterna se utiliza Capacidad de transmisión de CA de 1000 kV tricas. Su ventaja radica en la en los países en vías de desa6000 posibilidad de utilizar transrrollo para las nuevas redes, 5000 formadores para elevar la como ya se hizo en otros paíenergía a niveles más altos de ses, pero en cierta medida se 4000 tensión, facilitando así una utiliza también para transmitir 3000 transmisión económica. Los energía desde fuentes de genegeneradores, sean de corrienración remotas. 2000 te alterna o de corriente conti1000 Transmisión de corriente nua, producen electricidad a alterna a larga distancia un nivel de tensión relativa0 200 700 1200 1700 2200 2700 3200 Una línea construida para mente bajo. Si la transmisión Longitud de la línea en km transferir energía a largas disa larga distancia se hiciera a tancias ha de cumplir condicioesa tensión, se originarían nes previas de estabilidad y grandes pérdidas y unos cosEn los países de la OCDE ha habido un capacidad para resistir averías como las tes prohibitivos. crecimiento casi exponencial de la causadas por los rayos. El criterio de La tecnología de corriente alterna es, energía eléctrica hasta la crisis del pediseño que se ha de satisfacer se define además, muy flexible cuando se conectróleo de principios de los años setenta como N-i, siendo i=11). Esto significa tan diferentes puntos para formar una que la máxima potencia que se puede del pasado siglo. El impacto de la crisis red eléctrica, lo que permite suministrar perder sin peligro para la estabilidad interrumpió los planes de alcanzar tenelectricidad a los consumidores de model sistema de CA es igual a la potencia siones más altas, de 800, 1.000 e includo robusto y fiable. En los primeros mode la mayor unidad de generación o de so 1.200 kV. mentos el factor predominante era la la línea con la máxima capacidad. Si Hace treinta años, la capacidad de las fiabilidad del suministro; puesto que la toda la potencia de una planta generaredes y la demanda estaban generalgeneración tenía lugar relativamente dora distante se transmite sobre una mente en equilibrio, pero la situación cerca del punto de consumo, la transmiúnica línea, el sistema de CA ha de socambió al aumentar el consumo. La gesión de grandes cantidades de energía a portar la pérdida de toda esta potencia. neración ha crecido en nuevos lugares. largas distancias no resultaba prioritaria. Si se han de transmitir cantidades maLos parques eólicos, por ejemplo, norBuscando adecuar mejor la corriente alyores de energía se utilizarán varias límalmente se construyen en lugares terna a este tipo de transmisión masiva, neas paralelas interconectadas cada 300 donde la red es débil. La desregulación se adoptaba típicamente la compensaa 400 km para aumentar la fiabilidad. de la generación de energía eléctrica ha ción en serie de las líneas. Esta medida Si son cortas, las líneas de CA tienen promovido también el comercio de funciona bastante bien si se transmite una capacidad de transporte bastante energía eléctrica transmitida a largas energía de un punto a otro, pero noralta, que depende de la tensión y de los distancias. Esto implica que los requisimalmente no se utiliza dentro de una límites térmicos de los conductores. Las tos del sistema de transmisión son más red mallada, en la que el flujo de enerlíneas más largas tienen mayor imperigurosos. gía es más imprevisible. La compensadancia, lo que reduce su capacidad de La situación de los países en vías de ción en serie reduce la impedancia en transmisión. La ecuación siguiente desdesarrollo es muy distinta; se parece una sección de la red, lo que puede oricribe la transferencia de potencia activa: más bien a la situación de los países de ginar una sobrecarga de este segmento la OCDE durante los años cincuenta y particular de la línea. U ·U ·sin(δ) sesenta. Sin embargo, la velocidad de El desarrollo de los sistemas de corrienP= 1 2 X desarrollo es mucho mayor, especialte alterna ha ido acompañado de un donde P es la potencia activa, U1 y U2 mente en China e India. La tecnología continuo aumento de la tensión de la tensión en cada extremo de la línea, ha avanzado durante los últimos treinta transmisión. Si el consumo de energía es bajo, la tensión también puede serlo. AproximadamenNota 2 Seis líneas paralelas de CA en seis secciones con compensación 1) te (siempre dos al cuadrado El criterio de diseño N-i determina el en serie y en paralelo. La línea puede seguir funcionando a pesar del número de elementos cuyo fallo puede menos las pérdidas), al duplifallo de algunos componentes individuales. ser tolerado si que el sistema total piercar la tensión se cuadruplica da funcionalidad. Aplicado a redes elécla capacidad de transferencia tricas, N representa el número de comde potencia. Por tanto, la evoponentes importantes de la red (es lución de las redes en la madecir, generadores, subestaciones, yoría de los países se caractelíneas, etc.), e i el número de comporiza por la adición de capas nentes que pueden fallar al mismo tiempo sin provocar la inestabilidad de la de red de tensiones cada vez red. más altas. Revista ABB 2/2007 23 Transmisión de ultra alta tensión Redes eficientes energéticamente δ el ángulo de fase entre los dos extremos y X la impedancia de la línea. tección. En caso de avería por puesta a tierra de una sola fase, el reto es eliminar Un grupo de 12 Grupos en serie de 12 Grupos en paralelo de 12 la avería sin abrir los intepulsaciones por polo pulsaciones por polo pulsaciones por polo Cuando aumenta la longitud rruptores de las tres fases. El de la línea, aumenta también problema está en la alta cola impedancia de la misma. Parriente capacitiva, generada ra mantener la transferencia de por las fases operativas, que potencia ha de aumentar el áncircula por la avería. Este gulo δ. Esto es posible hasta problema se puede resolver un ángulo de unos 30 grados; con la ayuda de reactancias para ángulos superiores puesintonizadas que minimizan den surgir problemas con la la corriente inducida. El sisestabilidad dinámica. La mejor tema AC de 800 kV está 3000-4500 MW 4500-6400 MW 6000-9000 MW forma de solucionar este procomercialmente maduro y ya blema es reducir la impedancia se dispone de todos los ra garantizar la transmisión de la máximediante compensación en serie, lo equipos necesarios. El desarrollo de ma potencia en todo momento. que puede hacerse sin gran dificultad equipos para 1.000 kV AC avanza hasta una compensación del orden del rápidamente. Retos técnicos 70 %. Para niveles más altos de comLos sistemas de 1.000 y 1.200 kV de Transmisión CC de 800 kV pensación el sistema será menos robusCA han sido ensayados en varias insto 1 . Aspectos del sistema talaciones de prueba y se han utilizaLa transmisión de corriente continua Cuando la carga de una línea es infedo en aplicaciones comerciales duranse basa en convertir la corriente alterrior a la carga de impedancia caractetes breves periodos, pero actualmente na en continua en una estación rectifirística SIL (Surge Impedance Loading), no se utilizan comercialmente2). Hay varios problemas relacionados con la cadora, transmitir la energía en una la línea producirá potencia reactiva; si construcción de tales líneas y es necelínea bipolar de CC y convertirla de no se añade compensación en paralelo, sario desarrollar nuevos equipos como nuevo en corriente alterna en una esla tensión podrá aumentar excesivatransformadores, interruptores, descartación inversora. mente. Si la carga de la línea es supegadores de sobretensiones, reactancias rior al valor SIL, la línea consumirá poen derivación, condensadores en seDesde el punto de vista del sistema, la tencia reactiva y la tensión podrá desrie, transformadores de corriente y de tecnología de corriente continua simcender demasiado. Desde el punto de tensión, así como seccionadores e inplifica la transmisión a largas distanvista de la fiabilidad, es necesario consterruptores de puesta a tierra. cias. Las estaciones rectificadora e intruir una transmisión de CA dividida en versora pueden controlar rápidamente secciones con compensación tanto en Existen también requisitos especiales la corriente y la tensión y, por tanto, serie como en paralelo, además de una en el campo del control y de la proson adecuadas para controlar el flujo interconexión entre las secciones 2 pa3 Configuraciones alternativas de convertidores para una línea HVDC Con el sistema HVDC de 800 kV es posible transferir una potencia de hasta 18.000 MW en un único derecho de paso. 4 5 a Es necesario ensayar a fondo los equipos antes de comercializar el sistema HVDC de 800 kV. Estas fotografías muestran el transformador a , el terminal del transformador b y el aislante pasamuros de entrada de válvulas (fotografía del título) que se están ensayando en Ludvika (Suecia). b Doble bipolo 6000-18000 MW Bipolo 3000-9000 MW Nota 2) La transmisión de CA de 1.200 kV fue explotada comercialmente entre 1989 y 1996 en una línea que conectaba Rusia y Kazajstán. La línea dejó de operar tras la caída de la Unión Soviética. 24 Revista ABB 2/2007 Transmisión de ultra alta tensión Redes eficientes energéticamente de potencia. La diferencia de ángulo de fase entre los extremos transmisor y receptor no tiene importancia si la única conexión es de CC. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asíncronas, ya que la corriente continua no tiene ángulos de fase y no depende de la frecuencia. Las averías en líneas de CC o en convertidores harán que aumente la frecuencia en el extremo generador y que disminuya en el extremo receptor, a no ser que haya suficiente capacidad de sobrecarga en el polo remanente y existan líneas de CC paralelas que controlen la diferencia de potencia. Si la avería es permanente, se deberá implementar un sistema que dispare los generadores para asegurar la estabilidad de la frecuencia en la red en el lado del generador. Normalmente, esto es un problema sólo si existen líneas de CA síncronas paralelas; especialmente si su potencia nominal es mucho menor que la de las líneas de CC, estas líneas pueden dispararse si los ángulos de fase aumentan demasiado. Configuraciones Son posibles varias configuraciones de convertidores para el sistema HVDC de 800 kV 3 . En 4 se muestran posibles configuraciones de la línea. Retos técnicos La máxima tensión de HVDC hoy día es 600 kV. El proyecto Itaipu, que entró en funcionamiento hace más de 20 6 años, opera sobre dos bipolos de ±600 kV y transmite 6.300 MW a una distancia de 800 km. El sistema HVDC de 800 kV requiere el desarrollo de transformadores, terminales de transformadores, aislantes pasamuros de entrada de válvulas, válvulas de tiristor, descargadores de sobretensiones, divisores de tensión, condensadores de filtro de CC y aisladores de soporte. Aislantes pasamuros El aislante pasamuros se basa en un acreditado diseño que se emplea en instalaciones nuevas de 500 kV. Su longitud de 18 m (véase la fotografía de página 22) ha sido un reto mecánico, más allá del cumplimiento de los requisitos eléctricos. El sistema, sin embargo, ha superado todas las pruebas eléctricas, mecánicas y de rutina. También se ha verificado la resistencia sísmica mediante cálculos. Ya ha concluido el diseño y fabricación del aislante pasamuros de 800 kV, que está instalado en el circuito de prueba de 800 kV, y que incluye: la tensión de CC soportada 1.250 kV la tensión de CA soportada 910 kV Logros técnicos ABB ha avanzado en este desarrollo durante varios años y ha diseñado, fabricado y puesto a prueba todos los equipos que han de estar expuestos a 800 kV. A continuación presentamos algunos ejemplos: Circuito de prueba de larga duración Prototipo de transformador Se ha fabricado un prototipo de transformador simplificado que incluye todos los detalles de aislamiento para un transformador convertidor de 800 kV 5a . Las pruebas iniciales del prototipo de transformador comprendieron: la tensión de CC soportada 1.250 kV la tensión de CA soportada 900 kV Las pruebas fueron superadas con éxito. Terminal de transformador Se ha fabricado un prototipo de terminal de transformador para el máximo grupo de 6 impulsos 5b . El terminal ha superado todas las pruebas habituales, inclusive: la tensión de CC soportada 1.450 kV la tensión de CA soportada 1.050 kV Prueba de larga duración de la tensión soportada en el circuito de prueba de 800 kV de STRI en Ludvika Cuadro 1 Como demostración final de la viabilidad del sistema, se ha construido y puesto en funcionamiento una estación de ensayos de larga duración. En ella, todo el equipo se prueba a 855 kV durante al menos medio año 6 . Diseño de la estación Al diseñar un sistema HVDC de 800 kV con una potencia de 6.000 MW es importante concebir la estación de modo que la avería de un componente crítico individual sólo produzca la pérdida de una pequeña parte de la potencia. Las figuras 7 y 8 muestran una estación con cuatro bloques de alimentación, que se puede configurar de una de las formas siguientes: Capacidad de la transmisión combinada de CA y CC para mantener la estabilidad a pesar de la pérdida de enlaces de CC: escenario 1 11a con fuerte enlace de CA Condensador RI Interruptor de derivación Divisor de tensión Cifra de líneas 500 kV en paralelo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 si si si si si si si si si si 2 si si si si si si si si si si 3 no si si si si si si si si si 4 no no no no si si si si si si 5 no no no no no no no si si si 6 no no no no no no no no no no 7 no no no no no no no no no no 8 no no no no no no no no no no 1 Cifra de grupos CC perdidos Desconectador Aisladores de soporte compuesto Revista ABB 2/2007 25 Transmisión de ultra alta tensión Redes eficientes energéticamente Dos polos, cada uno de ellos compuesto por dos grupos conectados en serie Dos polos, cada uno de ellos compuesto por dos grupos conectados en paralelo Pruebas satisfactorias Una vez realizados todos los trabajos de desarrollo, el resultado es que la tensión de 800 kV está ya disponible para transmisiones comerciales. Comparación entre AC y DC Coste A continuación 10 se comparan los costes de transmitir 12.000 MW de CA y CC a una distancia de 2.000 km. El sistema HVDC de 800 kV proporciona el menor coste total y el punto óptimo está en la zona de menores pérdidas de la línea. 7 26 Ventajas e inconvenientes de la corriente alterna Ventajas e inconvenientes de la corriente continua La principal ventaja de la corriente alterna es la flexibilidad con que se pueden conectar cargas y estaciones de generación a lo largo de la ruta. Esto es especialmente importante si la ruta de transmisión pasa por un área muy poblada y si hay instalaciones de generación emplazadas en muchos puntos a lo largo de la ruta. Un inconveniente de la corriente alterna es su coste. El sistema arriba descrito es bastante caro puesto que, de hecho, se ha de construir una infraestructura eléctrica completa a lo largo de la ruta. Otro inconveniente es la necesidad de terrenos y derechos de paso. Dado que la transmisión de CA no puede utilizar por completo la capacidad térmica de cada línea cuando ésta es muy larga, habrá que instalar una línea en paralelo. Una importante ventaja de la corriente continua de alta tensión (HVDC) es el bajo coste de transmitir potencias muy altas a distancias muy grandes. Una segunda gran ventaja es que las pérdidas son bastante bajas. Las pérdidas totales en la transmisión de energía a una distancia de 2.000 km son del orden del 5%. La tercera gran ventaja es que se necesitan menos líneas, con menores requisitos de derecho de paso. Según se ha mencionado antes, la transmisión de 12.000 MW se puede conseguir con dos líneas utilizando HVDC de 800 kV. Transmitir la misma potencia con 800 kV de CA requeriría ocho líneas. Estación convertidora HVDC con cuatro bloques de alimentación: la configuración se elige para minimizar los efectos de las averías de componentes individuales. El principal inconveniente del sistema HVDC es que la energía se transmite de un punto al otro y que es bastante caro construir estaciones de derivación (aunque esta solución es posible y ya se ha aplicado). Transmisión combinada de CA y CC Como se ha dicho más arriba, el principal inconveniente de HVDC es el elevado coste de la derivación de potencia a lo largo de la línea. Sin embargo, una combinación de transmisión masiva de energía HVDC, de bajo coste, en paralelo con una red de CA de menor tensión, podría resultar en muchos casos la solución óptima al proporcionar tanto bajo coste y alta flexibilidad como capacidad para abastecer a los clientes a lo largo de la ruta. No obstante, existen algunos problemas técnicos con la solución combinada de CC y CA. Las perturbaciones en la transmisión de CC dispararán en muchos casos la conexión de CA, ya 8 Estación convertidora HVDC con dos polos, cada uno de ellos compuesto por dos grupos conectados en serie Revista ABB 2/2007 Transmisión de ultra alta tensión Redes eficientes energéticamente 9 Representación artística de la estación de 10 Coste de las estaciones, líneas y pérdidas en función de las pérdidas de la línea Potencia 12.000 MW Longitud de la línea 2.000 km 8 líneas CA de 800 kV 5 líneas CA de 1.000 kV 8 4 líneas CC de 500 kV 2 líneas CC de 800 kV Alternativa 1 8000 millones de $ 7000 6000 5000 4000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Pérdidas en la línea (%) 11 Tres alternativas para combinar CA y CC para conectar dos redes. En a , un fuerte enlace de CA soporta la CC, en b las dos redes de CA están separadas y en c la distancia se salva mediante un enlace recíproco HVDC. a b c Red emisora HVDC recíproca que los ángulos de fase se hacen demasiado grandes. Este problema se puede resolver de varias formas, según se muestra en 11 . La opción 11a utiliza una conexión de CA suficientemente fuerte para resistir la mayoría de las perturbaciones producidas en la conexión de CC sin necesidad de desconectarla. A modo de ejemplo se supone que el sistema HVDC transmite 12.000 MW a 2.000 km de distancia en dos bipolos, con cuatro grupos convertidores cada uno. Se supone también que la línea HVDC puede soportar una sobrecarga temporal del 50% en caso de que se disparen uno o más grupos. Además, se supone que existe una red paralela de líneas de 500 kV de CA que tendrá que captar la potencia que la línea HVDC no pueda transmitir. Los resultados se muestran en el Cuadro 1 . Esta tabla muestra que el sistema permanecerá dinámicamente estable después de la pérdida de varios grupos de CC. Cada grupo tiene una potencia de 1.500 MW. El resultado depende de la carga previa de las líneas CA. Aquí se ha supuesto que están cargadas hasta un 34% antes del fallo. Alternativa 3 La opción 11c es la misma que 11b pero usa una conexión recíproca HVDC para aumentar la flexibilidad del suministro de energía sin necesidad de sincronizar los dos sistemas. Preferentemente, este dispositivo con conexión recíproca es un convertidor de fuente de tensión (HVDC Light), que estabilizará las tensiones y aumentará la transferencia de potencia de las líneas de CA. Conclusiones Para transmitir gran cantidad de energía a largas distancias (más de 500– 1.000 km), el sistema HVDC de 800 kV es normalmente la opción más rentable. El mayor inconveniente de HVDC es el alto coste de derivar potencia a lo largo de la ruta. Un método combinado, que suministra potencia masiva mediante HVDC y la potencia necesaria a lo largo de la ruta por medio de CA parece ser la solución más rentable y flexible. El sistema de 1.000 kV de CA resulta más adecuado como red superpuesta a redes existentes de 400 ó 500 kV de CA en áreas con gran densidad de población. Alternativa 2 Red receptora Revista ABB 2/2007 La opción 11b permite que las dos redes operen de forma asíncrona, cada una alimentando a la mitad de los clientes a lo largo de la ruta. En este caso no hay problemas de estabilidad, ya que los sistemas son asíncronos. Gunnar Asplund ABB Power Technologies, Power Systems DC Ludvika, Suecia gunnar.asplund@se.abb.com 27