Offshores

TecnologasVSC-HVDC

Germn AriasFernndez

IntroduccinParques Elicos Marinos

Sistemas de CorrienteDirecta en Alta TensinVSC-HVDC

VSC-HVDCaplicada a parqueselicos marinos

Evolucin detecnologasVSC-HVDC

Principio deOperacin deConvertidoresMulti NivelHVDC Plus de Siemensand HVDC Ligh de ABB

HVDC Max Sine de Alstom

Conclusiones

Uso de Tecnologas VSC-HVDC MultiNivel y su aplicacin en Bancos de

Aerogeneradores Marinos

Germn Arias Fernndez

Instituto de Ingeniera-UNAM

Sistemas Elctricos de Potencia

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Conclusiones

Hoy en da existe la necesidad de generar energaelctrica a partir de recursos naturales renovables.Por ejemplo, en algunos paises de Europa y en lascostas del Golfo de Mxico pertenecientes a los EstadosUnidos, se estn construyendo grandes parques elicosmarinos offshore wind farms (OWFs).

Figure: London-array offshore

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Conclusiones

Los grandes parques elicos marinos del futuro utilizarnfuentes de voltaje conmutadas basadas en tecnologasde corriente directa en alta tensin VSC-HVDC VoltageSource Converter-High Voltage Direct Current , lascuales pueden ser de diferentes topologas.

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Conclusiones

Actualmente, los parques elicos marinos se construyena pocos kilmetros de las costas y utilizando sistemas detransmisin en corriente alterna HVAC High VoltageAlternating Current. Una tendencia actual es contruirlas OWF ms alejadas de la costa lo cual trae consigocambios en:I Construccin.I Instalacin yI Transmisin de la Energa generada.

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Conclusiones

La principal limitante de seguir utilizando sistemas encorriente alterna HVAC, es la necesidad de compensarpotencia reactiva, necesidad que aumenta si utilizamoslneas de transmisin submarinas o subterraneas.La solucin evidente ante ello es utilizar sistemas detransmisin en corriente directa HVDC.Se estima que para distancias mayores a 70 km es maseconmico transmitir en corriente directa.

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Conclusiones

Bsicamente existen dos tecnologas HVDC:I La convencional LCC (Line Commutated Converter )

basada en tiristores (Gotland, 1954) yI La VSC-HVDC, relativamente nueva pero de rpido

desarrollo, que en sus ltimas versiones utiliza IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor con aplicaciones apartir de los 1990.

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Conclusiones

Las VSC ofrecen grandes ventajas respecto a las LCC,debido a que el IGBT puede ser controlado en todo elrango de ngulo de disparo mediante sealeselectrnicas.

Ventajas de un VSC respecto a LCC

I Insensible a lo que suceda en la red de AC yI Rpido y desacoplado control de flujo bidireccional

de potencia activa y reactiva.

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Conclusiones

Esquema de un sistema HVDC

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Conclusiones

IGBT

Caractersticas

I Permite el control total de encendido o apagado.I Muy bajo consumo de energa.I Alta frecuencia de conmutacin (alrededor de

20[kHz]).I Tensiones de operacin que van de 4.5 a 6.5[kV].I Corrientes que van de los 0.6 a 2.5[kA].

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Conclusiones

Para transmisin de grandes bloques de potencia, haytres topologas ms ampliamente utilizadas en lossistrmas VSC-HVDC:I De dos niveles.I De tres niveles.I Multi Nivel(Multi-level ML

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Conclusiones

El costo inicial de un sistema HVDC es alto; por locontrario, el costo por MW es bajo. Una opcin para bajarlos costos de construccin es el conectar ms de unbanco de aerogeneradores a una mismo sistema detransmisin:

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Conclusiones

Ventajas de usar tecnologas VSC-HVDC

I Ms econmica para distancias superiores a 70 km.I Puede conectarse a una red sin que se den fallas

por conmutacin.I No requieren compensacin de potencia reactiva.I Bajo requerimento de filtrado.I Bajo requerimento de espacio.I Capacidad de transmitir potencia desde cero a plena

carga en ambas direcciones, lo cual se ajusta a lasimpredecibles velocidades del viento.

I Un sistema HVDC desacopla la red de AC de la redde DC, lo cual permite que una falla ocurrida enalguno de los lados de la red no se transmita,aumentando con ello la confiablilidad de la red.

I El desacoplamiento de la red de AC respecto alaerogenerador permite que puedan operar adiferentes frecuencias entre s.

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Conclusiones

VSC-HVDC de 2 y 3 niveles

Las tecnologas de dos y tres niveles permiten laconmutacin entre dos y tres niveles de voltaje,respectivamente.La principal desventaja de estas tecnologas son las altasprdidas por conmutacin, que aumentan al elevar lafrecuencia.Otra desventaja es que se requiere instalacin de filtrosen comparacin con tecnologas multinivel

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Conclusiones

Tpicamente, mltiples IGBT conectados en serie seusan para aumentar la capacidad de voltaje de unavlvula VSC, lo cual agrega un nuevo problema tcnico aresolver: todos deben de conmutar de manerasimultnea.

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Conclusiones

VSC-HVDC Multi Nivel

La necesidad de proporcionar al voltaje una forma deonda senoidal y el disminuir las prdidas porconmutacin propoci el desarrollo de las tecnologasmultinivel. Los avances en los convertidores multinivel son el mayor paso hacia las aplicaciones paratransmitir potencia elctrica en alta tensin y encorriente directa. Estos convertidores proporcionan unaforma de onda de varios niveles de voltaje.

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Conclusiones

Una VSC se forma al agrupar varias vlvulas VSC,adems de dispositivios para el control de encendido yapagado de cada una de ellas, por lo regular PWM(Pulse-Width Modulation. Pueden configurarse de dosmaneras:I Como inversor: Convierte DC a AC y

Figure: Diagrama de un Inversor

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Conclusiones

Figure: Oscilograma de un Inversor

I Como Rectificador: Convierte AC a DC.

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Conclusiones

Existen diferentes convertidores multinivel, entre ellos:I flying capacitor : Requiere de grandes capacitores

con diferentes voltajes.I diode clamped : Existe diferencia entre diodos e

IGBT, lo cual complica su control. Diferentesprdidas por conmutacin entre IGBT.

Ambas inadecuadas para ms de tres o cinco niveles devoltaje. La necesidad de balancear el voltaje en loscapacitores obliga a introducir una red auxiliar para subalanceo, lo cual aumenta la complejidad del convertidor.

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Conclusiones

Modular Multi-level Converter MMC

Se presentan las siguientes necesidades:I Asegurar la modularidad.I Disminuir las prdidas por conmutacin de los IGBT.I Disminuir los altos requerimentos de filtrado de

armnicas.que conducen a la introduccin de Convertidores Multinivel Modulares.Un MMC sintetiza formas senoidales de voltaje de muyalta calidad, por conmutacin de un alto nmero deniveles de voltaje.La frecuencia individual de cada IGBT es disminuidadesde 1-2 kHz (convertidores de 2 y 3 niveles) afrecuencias tpicas de 100-150Hz en el MMC.

Disminuyen las prdidas en un 1% por cada MMC.

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Conclusiones

Topologas de VSC-HVDC.

Actualmente existen tres modelos de VSC-HVDCmultinivel.I HVDC Plus de Siemen: Basada en MMC.I HVDC Light de ABB: Basada en MMC(dos niveles

de convertidores en cascada).I VSC-HVDC hbridos de Alstom (25MW).

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Conclusiones

El MMC es construido conectando en serie submdulosde medio puente (SM) como se indica en la figura:

Figure: HVDC Plus y HVDC Ligh

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Conclusiones

Con una apropiada conmutacin de los sub mdulos SM,sus respectivas capacitancias son, cualquiera de allasconectadas o evitadas (bypassed) con el fin de lograr laforma de onda deseada en el voltaje de salida. Porejemplo, en la figura anterior se pueden tener tres nivelesde voltaje a la salida UoutI Ambos SM son incluidos si S1 est conduciendo y

S2 est bloqueado:Uout = USM1 + USM2

I Ambos SM y S1 son evitados y S2 estn bloqueados:Uout = 0

I Si se evita slo un SM y se bloquea un S1simultneamente con un S2 bloqueado, tendremoslas siguientes opciones:

Uout = USM1 Uout = USM2

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Conclusiones

La siguiente figura muestra un esquema de un MMCdonde los SM estn conectados en serie. The phase legsare connected in parallel on the DC side; hence the DCcurrent will be split equally between the three phase legs.Una corriente balanceada fluir entre las tres legs as thegenerated voltages of the three phase legs cannot beexactly equal [38]. Los reactores mostrados en la figurason usados para balancear la corriente a la salida decada una de las fases, adems que disminuyen laintensidad de corriente en caso de una falla en el lado deDC.

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Conclusiones

Convertidor Multinivel Trifsico:

Figure: Convertidor Multinivel Trifsico

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Conclusiones

Circuito Equivalente del MMC:

Las vlvulas inferior y superior son representados porfuentes controladas de voltaje. Sus ecuacionesrespectivas sn:

Ui1 =12

UDC Ui0 (1)

Ui2 =12

UDC + Ui0 (2)

Donde Ui0 indica voltaje respecto a tierra e i=a,b y c lasfases. Finalmente, la ecuacin del voltaje de DC a lasalida est dado por:

UDC = Ua1 + Ua2 = Ub1 + Ub2 = Uc1 + Uc2 (3)

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Conclusiones

Ejemplo:

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Conclusiones

Como se mencion anteriormente, la desventaja de losconvertidores de dos niveles es la alta prdida de voltajepor conmutacin, la cual aumenta con el incremento enla frecuencia de switcheo. Requiere de transformadoresde interface e instalacin de filtros.Recientes investigaciones indican que hay ventajas alcombinar las tecnologas de convertidores de dos nivelescon MMC: topologa hbrida.La principal idea de los vertidores VSC-HVDC hbridoses usar un convertidor de 2 niveles como el componentede conmutacin principal a baja frecuencia y entonces,agregar un relativamente pequeo convertidor multi nivel,el cual es usado como filtro activo o circuito formador deonda con el fin de eliminar las armnicas generadas enel convertidor de dos niveles.

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Conclusiones

Max Sine VSC-HVDC

I Serie: El circuito formador de onda es localizado enel lado de AC de el convertidor de dos niveles. Estecircuito est compuesto de la conexin en serie detres SM de medio puente. Su principal desventaja eslas prdidas por conmutacin.

I paralelo: El circuito conformador de onda en paralelocon el switc de fase formado por medios puentes.Las tres fases son conectadas en seria vistas desdeel lado de DC. Su principal ventaja es que el circuitoconformador de onda est fuera del lazo principalpor lo cual el nmero de submdulos es reducidoconsiderablemente.

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Conclusiones

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Conclusiones

S1 y S4 son conmutados para la media onda positiva y S2y S3 para el semi ciclo negativo. Algn rizo presente en ellado de DC se transfiere al lado de AC. El voltajeresultante del lado de AC tiene poca distorcin,dependiendo del nmero de SM utilizados en el circuitoformador de onda.

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Conclusiones

Conclusiones

Las nuevas tecnologas VSC-HVDC son tcnicamente yeconmicamente viables para la conexin de parqueselicos marinos alejados del sistema elctrico depotencia.Existen pocos modelos de tecnologas VSC- HVDC y noexiste su estandarizacin.Futuros estudios para desarrollar y operar losVSC-HVDC son requeridos.Es necesario entender las diferencias y similitudes de lastecnologas VSC-HVDC con el fn de estandarizar dichatecnologas.Basado en la revisin, se encontr que existen ciertassimilitudes entre tecnologas disponibles basadas en unaaproximacin modular, lo cual hace relativamente fcil unescalamiento a nivel del voltaje deseado.

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Conclusiones

Conclusiones

Las principales ventajas tcnicas de usar tecnologasVSC-HVDC para conexin de Parques Elicos Marinoshan sido resaltados y se concluye que las tecnologasVSC-HVDC sern la opcin preferida para la conexinremota de OWF situadas mar adentro.

IntroduccinParques Elicos MarinosSistemas de Corriente Directa en Alta Tensin VSC-HVDC

VSC-HVDC aplicada a parques elicos marinosEvolucin de tecnologas VSC-HVDCPrincipio de Operacin de Convertidores Multi NivelHVDC Plus de Siemens and HVDC Ligh de ABBHVDC Max Sine de Alstom

Conclusiones

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