TECNOLOGÍAS HVDC PARA CONEXIÓN DE PARQUE EÓLICOS EN COLOMBIA (ON-SHORE) Camilo Ordonez Medina, MSc.
[email protected] Guillermo Vinasco, Msc., PhD.
[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
Total
LCC
VSC
Longitud total aprox. (km)
Europa
54
26
28
Asia
54
51
Norteamérica
19
Suramérica
Número de proyectos
Máxima longitud en operación (km) LCC
VSC
Máxima potencia (MW)
13.000
580
450
2.500
1983 – 2015
3
36.000
2.192
134
8.0003
1977
15
4
12.700
1.362
85
3.100
1970 - 2015
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
Zona
1. 2. 3.
Años de entrada en operación vigentes
Rio Madeira en Brasil. Opera a ± 600 kV. 2x3150 MW, ABB y ALSTOM, año 2013 Caprivi. Conecta Namibia y Zambia, opera a -350 kV, 1x300 MW expandible a 2x300 MW, ABB, año 2010. Hami – Zhengzhou y Xiluodo - West Zhejiang. C-EPRI Electric Power Engineering, año 2014
3
Basado en información de https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_HVDC_projects
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 simulaciones PROPUESTA 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) Estación Rectificadora
+500 kV DC LINEA DC 600 km
+
Colectora II
Cerromatoso 500 kVAC
500 kVAC
Sistema
Parques Guajira
,
,
LINEA DC 600 km
-500 kV DC
Filtros AC
Filtros AC
2000 MW
,
,
• 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.
Zcc
Caso de estudio LCC clásico Sistema de control rectificador
Sistema de control inversor cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
cos(ALPHAMIN)
cos(ALPHAMAX)
Característica VDCOL
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Resultados HVDC LCC
Caso de estudio VSC bipolar Estación Rectificadora
+500 kV DC
Estación Inversora
LINEA DC 600 km
+
Colectora II 500 kVAC
VSC
Parques Guajira
Cerromatoso 500 kVAC
VSC
Sistema ,
,
VSC 2000 MW
,
,
Zcc
VSC
-
“Half Bridge”
“Full Bridge”
LINEA DC 600 km
-500 kV DC •
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.
Caso de estudio control VSC bipolar Rectificador control de tensión Rectificador control de potencia activa
Rectificador VSC
(potencia reactiva)
Caso de estudio control VSC bipolar Inversor control de tensión Inversor control de potencia activa
Inversor VSC
(potencia reactiva)
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 bipolar half-bridge
Resultados HVDC VSC bipolar full-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, MSc.
[email protected] Guillermo Enrique Vinasco, Msc., PhD.
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