Ingeniería en Alta Tensión de Corriente Directa, HVDC (High Voltage Direct Current). P. J. Pech1 , V. M. Cabrera1 , F.S. Sellschopp1 Resumen— Cuando se descubrió el dinamo y su capacidad de generar energía eléctrica, se continuó con su estudio y se pudo desarrollar la transmisión de energía eléctrica. Cuando se inició la transmisión de la energía eléctrica esta era de corriente directa, por lo que al principio este servicio era muy limitado y solo podía alimentar determinadas cargas, en determinadas zonas a baja tensión. A medida que se prosiguió con las investigaciones se perfeccionaron las técnicas para el uso de la corriente alterna que rápidamente desplazo a los sistemas de CD y prácticamente quedó en el olvido. Fue hasta mediados del siglo XX cuando se retomó el estudio de la CD y en el año de 1954 se tuvo el primer enlace de corriente directa en alta tensión, (HVDC por sus siglas en inglés) en Alemania. Los avances que se han producido en la electrónica de potencia de las últimas décadas, han permitido que los sistemas de HVDC sean hoy una realidad. Actualmente en el mundo existen proyectos que implementan sistemas HVDC. Temas claves— Ingeniería de HVDC, Electrónica de Potencia, Transmisión de energía eléctrica. I. INTRODUCCIÓN L Os beneficios de la energía eléctrica suministrada a un número de consumidores de un sistema de generación común se dio a conocer poco después del desarrollo del dínamo, conocido comúnmente como el generador. La primera central pública se puso en servicio en 1882 en Holborn, Londres. Tan pronto se descubrieron los beneficios que se obtenían, empezaron a surgir varias centrales que suministraban la energía eléctrica, en especial en los países desarrollados. Los primeros sistemas producían corriente directa en baja tensión, pero su servicio se limitaba a determinadas áreas y se utilizaban principalmente para la iluminación eléctrica. Por lo que las limitaciones de la transmisión por corriente directa en baja tensión se hicieron muy evidentes. En 1890 los avances en los estudios en el desarrollo de la corriente alterna así como los avances en las técnicas de fabricación de dispositivos como los generadores, transformadores y motores de inducción, que son componentes indispensables en la distribución y generación de la corriente alterna, habían sido perfeccionados al punto que se desplazó rápidamente el uso de la corriente directa, [1]. Desde que la transmisión de energía eléctrica por CD fue 1 Pablo Jesús Pech Chalé (jesus.pech.chale@hotmail.com), 1Dr. Víctor M. Cabrera Morelos (victormcabreram@gmail.com), 1Dr. Francisco Sergio Sellschopp Sánchez (sellschopp@hotmail.com), Instituto Tecnológico de la Laguna, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Blvd. Revolución S/N, C.P 27000 Torreón Coahuila, México. desplazada, no se había vuelto a investigar y a tratar de perfeccionarse, por lo que la CA se convirtió en la principal fuente de alimentación; conforme la tecnología avanzaba y el conocimiento de las técnicas y dispositivos de CA iba en aumento, de igual manera se descubrían desventajas. Entre los inconvenientes que presenta la utilización de líneas de transmisión en corriente alterna se encuentran los efectos ambientales ya que los conductores generan campos electromagnéticos, otros de los inconvenientes están relacionados con las instalación de las torres necesarias para transportar y sostener el cableado, además de las limitaciones en la distancia máxima que puede haber entre torre y torre. Gracias a todas estas limitaciones, diferentes empresas, universidades y gobiernos, han desarrollado planes de investigación, desarrollo e implementación de diferentes métodos de transporte de energía, tal como el HVDC. Aunque dicha tecnología fue estudiada, incluso antes que las líneas de transmisión convencionales de corriente alterna, estas no fueron implementadas debido a que la tecnología necesaria para su aprovechamiento, en ese momento, no estaba lo suficientemente desarrollada, por lo que los sistemas HVDC eran más costosos que los de transmisión en CA, [2]. II. CARACTERÍSTICAS DE HVDC Los avances que se han producido en la electrónica de potencia en las últimas décadas, han permitido que los sistemas de HVDC se encuentren en constante estudio para su perfeccionamiento. Los circuitos electrónicos de potencia tienen la función principal de convertir la energía eléctrica de un tipo en otro utilizando dispositivos electrónicos. Las aplicaciones de los circuitos electrónicos de potencia abarcan desde los equipos de conversión de alta potencia, como los sistemas de transmisión de corriente continua, hasta dispositivos de uso común. La electrónica de potencia incluye aplicaciones en las que los circuitos procesan miliwatts o hasta megawatts. Las aplicaciones típicas de la electrónica de potencia son, entre otras, la conversión de corriente alterna en corriente continua y viceversa, la conversión no regulada en una tensión continua no regulada en una tensión continua regulada y la conversión de una alimentación alterna de determinada amplitud y frecuencia en otra amplitud y frecuencia distinta. El diseño de los equipos de conversión de potencia precisa numerosas disciplinas de la ingeniería eléctrica, entre ellas, el campo de interés en la transmisión de energía eléctrica en HVDC, [3]. A. Comparación de un sistema de transmisión de CD con CA Las principales diferencias que se pueden observar al comparar ambos sistemas de transmisión son los siguientes: Economía de transmisión Consideraciones técnicas Rentabilidad La economía de transmisión se refiere a la inversión y a los costos de operación en un sistema de transmisión de energía eléctrica; tanto la inversión y los costos incluyen las instalaciones de las torres de transmisión, conductores, aisladores y demás equipos, además de cuantificar las pérdidas que se presentan en el sistema. Un ejemplo claro de inversión es que en una línea de transmisión de HVCD puede soportar más potencia con menos conductores, por ejemplo, un sistema de transmisión de HVDC puede operar adecuadamente con solo dos conductores, a diferencia de un sistema de transmisión de HVCA donde se necesitaría tres conductores. Esta característica del HVDC permite que las torres sean más esbeltas y que tengan una menor resistencia mecánica. Así mismo, las pérdidas en la transmisión de la energía eléctrica en un sistema de DC disminuye hasta un 67%, esto se debe a que los problemas que se presentan en una línea de CA como el efecto piel y el efecto corona son insignificantes o inclusive ausentes en DC, [4]. Las consideraciones técnicas se refieren más a los siguientes tres puntos: Los parámetros capacitivos e inductivos que se presentan en las líneas de transmisión de CA se encargan ya sea de establecer los límites entre las distancia que puede existir entre los enlaces de un sistema con otro y en la capacidad que tiene la línea de transmitir la energía eléctrica de un punto a otro. Estas limitaciones son particularmente importantes si se desean emplear cables subterráneos o submarinos, ya que los mismos cables son fuentes de reactivos que a mayor longitud de cable los reactivos se incrementan. Por el contrario, en la tecnología HVDC no existen tales limitaciones ya que estos sistemas no se encuentran afectados por la inductancia o capacitancia de las líneas o cables, [5]. Un sistema de transmisión HVDC permite la conexión entre dos sistemas de distinta frecuencia (o fase) o entre diferentes redes, las cuales pueden estar no sincronizadas por distintos motivos. Esto es imposible de realizar utilizando la transmisión clásica en corriente alterna, debido a la inestabilidad que se puede presentar en los sistemas de CA, a los niveles de cortocircuito muy elevados o a los intercambios no deseados de flujos de potencia entre sistemas, [5]. Un sistema de HVDC tiene la ventaja de que puede controlar de una manera rápida y segura la potencia activa entregada en un sistema, algo que un sistema de HVAC no podría realizar. Esto es posible gracias a los dispositivos electrónicos con los que cuenta un sistema de CD, [5]. Finalmente la rentabilidad que se presenta en un sistema de CD es mayor comparada con un sistema de CA, esto se debe a que los sistemas de CD emplean dispositivos de electrónica de potencia y controladores, incrementando la capacidad de control y protección del sistema de CD. Un ejemplo claro es el uso de los Tiristores LTT, cuya función principal es la eliminación de pulsos en alta tensión en transformadores y sirve de igual manera en un suministro auxiliar para el encendido de otros dispositivos que forman parte del sistema, [4]. Estos tres factores son los que han llamado la atención a empresas y universidades debido a la reducción de dispositivos que se necesitarían para transmitir grandes cantidades de energía eléctrica y por consecuencia el capital invertido es mucho menor si lo comparamos con la inversión en un sistema de CA. [2]. B. Configuración de un centro de transformación Fig. 1 Esquema simplificado de una estación de conversión Como la corriente alterna y la corriente continua son de distinta naturaleza se requiere del uso de dispositivos que permitan transformar de un tipo de corriente a otro; estos dispositivos son conocidos como convertidores. Los convertidores que permiten el paso de CA a CD son conocidos como rectificadores y los que permiten el paso de CD a CA son conocidos como inversores. Las instalaciones donde se encuentran estos dispositivos se denominan centros de conversión. A parte de los convertidores también se encuentran otros elementos necesarios para un correcto funcionamiento como los filtros y el transformador de conversión. Los convertidores no pueden ser conectados directamente entre las dos redes ya que su uso genera una gran cantidad de armónicos, por esta razón se tienen que instalar filtros en las redes de CA y DC. También se requiere de un transformador para adecuar la tensión de red a los niveles requeridos para el buen funcionamiento del convertidor y proporcionar aislamiento galvánico entre la red y el convertidor, [6]. III. TIPOS DE CONEXIONES EN HVDC De forma análoga a los sistemas trifásicos de corriente alterna, en corriente continua se pueden distinguir diferentes tipos de conexiones entre dispositivos de una red. Estos pueden ser a uno o dos hilos, [6]. A. Monopolar La configuración monopolar ya sea con retorno por tierra o con retorno metálico consiste en la utilización de un único conductor para transmitir potencia entre una estación de conversión a otra, realizando el retorno mediante los electrodos de las subestaciones conectados a tierra. Este tipo de conexión supone un ahorro en el cable conductor pero se debe tener presente que no siempre es recomendable su uso, especialmente cuando las pérdidas por la tierra son muy grandes o no se puede instalar por razones medioambientales, [6]. En estos casos se puede instalar un retorno metálico. A continuación se presentan las dos variantes de las configuraciones monopolares, [7]. operación la corriente de retorno sea cero, ya que al aplicar la primera ley de Kirchhoff, las intensidades provenientes de la línea con polaridad positiva y de la línea con polaridad negativa se anulan. En el caso en que una línea tenga una falla o tenga programada una operación de mantenimiento, la otra línea puede operar como una línea monopolar con retorno por tierra. A continuación se muestran las variantes de los sistemas bipolares, [6]. Fig. 4 Configuración bipolar con retorno metálico Fig. 2 Configuración monopolar con retorno por tierra La configuración monopolar con retorno por tierra (Fig. 2) utiliza únicamente un conductor para transmitir la energía eléctrica. El retorno se realiza mediante electrodos conectados a las estaciones de conversión que hacen las funciones de ánodo y cátodo. Esta transmisión se emplea generalmente para grandes distancias, en particular para largos cables submarinos, donde el mar puede realizar las funciones de retorno, ofreciendo menos pérdidas que un retorno metálico o cuando no es posible utilizar una fase de conexión bipolar, [6]. Fig. 5 Configuración bipolar con retorno por tierra C. Homopolar Este tipo de enlace consiste en la operación de dos cables conductores con la misma polaridad utilizando la tierra o un conductor metálico como retorno. En este conductor habrá dos veces la corriente nominal de una línea, [6]. Fig. 3 Configuración monopolar con retorno metálico La configuración monopolar con retorno metálico en algunos sistemas monopolares incluye un retorno metálico cuando es imposible realizar el retorno mediante electrodos conectados a tierra (normalmente por cuestiones medioambientales) o cuando las pérdidas son muy importantes; en este tipo de casos es más adecuado utilizar un retorno metálico, [6]. B. Bipolar La conexión bipolar consiste en el uso de dos conductores, uno trabajando con polaridad positiva y otro con polaridad negativa transmitiendo la misma potencia simultáneamente. El uso de esta conexión permite que en condiciones normales de Fig. 6 Configuración Homopolar IV. CONFIGURACIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO EN HVDC De forma análoga a los sistemas de corriente alterna, en HVDC existen unas estructuras de red básicas. Estas configuraciones vienen fijadas por el uso y aplicaciones que hasta hoy han tenido las redes en corriente continua. A. Punto a Punto La configuración punto a punto es la topología más utilizada para conectar dos puntos lejanos mediante una línea de corriente continua. Esta instalación consiste en dos estaciones convertidoras conectadas mediante una línea de transmisión. Debido a las aplicaciones de la tecnología, hasta hoy en día es la configuración más empleada, [6]. B. Back-to-Back La configuración Back-to-Back es la conexión utilizada para conectar dos sistemas asíncronos (a distinta frecuencia). La instalación consiste en la interconexión de dos convertidores situados en la misma estación convertidora, uno para cada sistema eléctrico. La interconexión se realiza mediante un enlace en corriente continua, sin la necesidad de una línea de transmisión, [6]. C. Multiterminal La topología multiterminal consiste en la conexión de tres o más conversores separados geográficamente. Este tipo de configuración presenta las bases para crear el concepto de bus de transmisión en corriente continua. Existen dos tipos de conexiones multiterminales, una conocida en paralelo, que consistente en la interconexión de los convertidores en paralelo, así cada uno vería la misma tensión, la otra es donde se conectarían los convertidores en serie. También pueden existir conexiones hibridas combinado serie y paralelo, [6]. V. TECNOLOGÍA DE CONVERTIDORES Los sistemas de HVDC se dividen principalmente en tecnología HVDC Clásica o LCC y la tecnología VSC. [2] A. HVDC Clásica o LCC La tecnología de convertidores LCC (Line Commutated Converter) se basa en el uso de la conmutación natural. Originalmente se usaban interruptores o válvulas de mercurio pero durante los años 70, la evolución y aumento de las potencias y tensiones de los dispositivos semiconductores permitió sustituir estas válvulas por tiristores. El empleo de tiristores permite el control del momento del disparo del tiristor pero no del apagado. Como consecuencia de esto, los rectificadores LCC permiten controlar la potencia activa pero no la reactiva, [6]. Para el rectificado en las estaciones de conversión equipados con la tecnología LCC, suelen usarse dos rectificadores de seis tiristores conectados a dos transformadores cuyos devanados están desfasados 30º entre sí, denominando a esta configuración rectificador de doce pulsos. Esta configuración de 12 pulsos, se destaca por reducir la distorsión armónica frente al rectificador convencional de seis pulsos. También se requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna para minimizar el efecto de los armónicos en la red. Al mismo tiempo, se requiere una fuente de potencia reactiva en el lado de alterna para asegurar un buen funcionamiento de la estación convertidora, [2]. B. VSC La tecnología VSC (Voltage Source Converter) se basa en el uso de dispositivos semiconductores de conmutación forzada. Estos semiconductores (habitualmente IGBT) pueden conmutar sin necesidad de la red, permitiendo el control simultáneo e independiente de potencia activa y reactiva. Igual que en la tecnología LCC, las estaciones equipadas con VSC requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna para minimizar el efecto de los armónicos. A diferencia que la tecnología anterior, la VSC no requiere ninguna fuente reactiva ya que el propio convertidor es capaz de controlarla, [6]. C. Comparativas entre las dos tecnologías, HVDC Clásica y VSC-HVDC [2] TABLA 1 COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS TECNOLOGÍAS EMPLEADAS EN HVDC Característica HVDC Classic VSC-HVDC Rango de potencia, MW 06-07 1 Semiconductores Tiristores-SCR IGBT Tipo de Cables Mass Impregnated Paper Polietileno reticulado Oil/Paper (XLPE) Control de potencia Sí Sí activa Control de potencia No Sí reactiva Potencia inversa sin No Sí interrupciones Pérdidas Típicas 0.8% 1.6% Los sistemas de HVDC son los más adecuados para fuentes de energía como la eólica, debido a que este tipo de generación generalmente se encuentran dentro del mar (Off Shore) por lo que conductores que trabajan bajo el agua, como es el caso de los de CD, facilitan el transporte de energía eléctrica de los generadores hacía la planta o central para que se pueda distribuir a los puntos de consumo. VI. CONCLUSIONES. El estudio de la transmisión de corriente directa en alta tensión permite visualizar las ventajas que presenta ante los sistemas tradicionales de transmisión de corriente alterna, tanto en el volumen de potencia que se puede transmitir, como en las cuestiones económicas por la instalación de los sistemas de transmisión y conductores eléctricos. Mediante los estudios se ha podido comprobar que empleando CD se disminuye el capital invertido y el servicio es de mayor calidad. Todas estás características se deben a que los sistemas de CD se operan y se controlan por dispositivos de electrónica de potencia. Además, otra característica favorable es que la corriente directa no presenta pérdidas considerables por la acción del campo magnético o la energía reactiva del conductor. Implementar este tipo de servicio y adecuarla a la red no presenta tantos inconvenientes, ya que los sistemas de CD tienen dispositivos que son capaces de adaptarse a los de CA mediante un control adecuado de los dispositivos electrónicos de potencia. Una de las desventajas que presentan los sistemas de alta potencia de CD es que la tecnología se puede considerar reciente, es decir, tiene limitantes en el manejo de las altas tensiones y corrientes. Otro factor muy importante es que los dispositivos electrónicos que se emplean son muy sensibles. En la inversión, si se comparan todos los dispositivos que emplea un sistema de transmisión de CA contra uno de CD, se puede observar que la inversión es menor en CD. Actualmente existen empresas que han estado trabajando en proyectos para instalar sistemas de CD, así como en el diseño de conductores especiales para este tipo de sistemas. Existen también distintos proyectos en países como Alemania, China, Japón, Qatar, Noruega, Sudáfrica, Canadá, Estados Unidos, Australia entre otros, que están en la vanguardia en el uso de esta tecnología. en CFE en el año 2011, trabajó como supervisor de obra en GABAR Instalaciones en el año 2012. Actualmente estudia el Posgrado en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna. . Sus áreas de interés son Protecciones en los sistemas eléctricos de potencia, Transitorios electromagnéticos e Ingeniería de alta tensión. Dr. Victor M. Cabrera Morelos Egresado de la carrera de Ingeniería Industrial en Electricidad del Instituto Tecnológico de Puebla en 1979. Obtuvo el grado de M.C. en Ingeniería Eléctrica en 1981 en el instituto tecnológico de la laguna. Estudio Teknisk Licenciat, Electricidad con especialización en Descargas Atmosféricas en el Instituto de Investigación en Alta Tensión, Universidad de Uppsala en 1989. Uppsala, Suecia. Obtuvo el grado en la misma institución de Doctor en Tecnología (PhD), Electricidad con estudios especializados en Descargas y Transitorios en 1992. Uppsala, Suecia. Sus áreas actuales de investigación son transitorios electromagnéticos, descargas atmosféricas, ingeniería alta tensión y sistemas de redes de tierras. VII. AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer al CONACYT por el apoyo económico que me ha brindado para continuar con mis estudios, proporcionandome en número de beca 91408 y al Instituto Tecnológico de la Laguna que me ha abierto las puertas para realizar el posgrado en la Institución. VIII. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering, 2nd Edition, Ed Newnes, 2000, pp. 1 F. Rodriguez, ‘‘Comparativa convertidores HVDC-VSC’’, Grupo Tecnología Electrónica, Universidad de Sevilla. Universidad de Sevilla. D. W. Hart, Electrónica de Potencia, 1er Edición, Ed. Prentice Hall, 2001, pp. 1. K.R. Padiyor, HVDC Power Transmission Systems Technology and SystemsInteractions 1st Edition, Ed. New Age International, 1990, pp. 2-5 F. Elgueta, “Control de sistemas HVDC”, Grado de Ingeniero, Dept, Ing. Eléctrica. Univ. Chile, 2008 Leonardo Energy, A. Egea y O. Gomis. Introducción a los Sistemas de Alta Tensión en Corriente Continua. Presentado en el Centro de Innovación Tecnológica en convertidores Estáticos y Accionamientos. Disponible en: http://es.scribd.com/doc/17067596/HVDC-Sistemas-deAlta-Tension-en-Corriente-Continua. Siemens (2011). High Voltage Direct Current Transmission. Siemens AG, Erlangen, Germany, [en línea] Disponible en: http://www.energy.siemens.com/us/en/power-transmission/hvdc/ E. IX. BIOGRAFÍA Ing. Pablo Jesús Pech Chalé Egresado del Instituto Tecnológico de Mérida, obteniendo el título de Ingeniero Eléctrico en el año 2012. Realizó su residencia profesional en el Departamento de Líneas Dr. F. S. Sellschopp Sánchez. Egresado de la carrera de Ingeniería Eléctrica del Instituto Tecnológico de Tepic en 1994. Obtuvo el grado de M.C. en Ingeniería Eléctrica en 1999 en el Instituto Tecnológico de La Laguna y el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica en el mismo instituto en 2003. Sus áreas actuales de investigación son máquinas y redes eléctricas, calidad de la energía, estimación paramétrica y observadores.