convertidor HVDC

La configuración básica de LCC para HVDC utiliza un rectificador de puente Graetz trifásico o puente de seis pulsos , que contiene seis interruptores electrónicos, cada uno de los cuales conecta una de las tres fases a uno de los dos terminales de CC. ^{[ 12 ]} Un elemento de conmutación completo se suele denominar válvula , independientemente de su construcción. Normalmente, dos válvulas del puente están conduciendo en cualquier momento: una a una fase de la fila superior y otra (de una fase diferente) de la fila inferior. Las dos válvulas conductoras conectan dos de las tres tensiones de fase de CA, en serie, a los terminales de CC. Por lo tanto, la tensión de salida de CC en cualquier instante dado viene dada por la combinación en serie de dos tensiones de fase de CA. Por ejemplo, si las válvulas V1 y V2 están conduciendo, la tensión de salida de CC viene dada por la tensión de la fase 1 menos la tensión de la fase 3.

Debido a la inductancia inevitable (pero beneficiosa) en la alimentación de CA, la transición de un par de válvulas conductoras al siguiente no ocurre instantáneamente. En cambio, hay un breve período de solapamiento en el que dos válvulas en la misma fila del puente conducen simultáneamente. Por ejemplo, si las válvulas V1 y V2 están inicialmente conduciendo y luego se abre la válvula V3, la conducción pasa de V1 a V3, pero durante un breve período ambas válvulas conducen simultáneamente. ^{[ 11 ]} Durante este período, la tensión de salida de CC viene dada por el promedio de las tensiones de las fases 1 y 2, menos la tensión de la fase 3. El ángulo de solapamiento μ (o u) en un convertidor HVDC aumenta con la corriente de carga, pero suele ser de alrededor de 20° a plena carga.

Durante el período de solapamiento, la tensión de CC de salida es menor de lo que sería en otras circunstancias, y dicho período produce una muesca visible en la tensión de CC. ^{[ 11 ]} Un efecto importante de esto es que la tensión de salida de CC media disminuye a medida que aumenta el período de solapamiento; por lo tanto, la tensión de CC media disminuye al aumentar la corriente de CC.

La tensión de salida media de CC de un convertidor de seis pulsos viene dada por: ^{[ 13 ]}

${\displaystyle {V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cos(\alpha )}-{6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}}$

Dónde:

V _LLpeak : el valor pico de la tensión de entrada de línea a línea (en el lado del convertidor del transformador del convertidor ).

α - el ángulo de disparo del tiristor

L _c - la inductancia de conmutación por fase

I _d - la corriente continua

El ángulo de disparo α representa el retardo de tiempo desde el momento en que la tensión a través de una válvula se vuelve positiva (momento en el que un diodo comenzaría a conducir) hasta que los tiristores se activan. ^{[ 11 ] [ 14 ]} De la ecuación anterior, es evidente que a medida que aumenta el ángulo de disparo, la tensión de salida de CC media disminuye. De hecho, con un convertidor conmutado por línea, el ángulo de disparo representa la única forma rápida de controlar el convertidor. El control del ángulo de disparo se utiliza para regular continuamente las tensiones de CC de ambos extremos del sistema HVDC con el fin de obtener el nivel de transferencia de potencia deseado.

La tensión de salida de CC del convertidor se vuelve progresivamente menos positiva a medida que aumenta el ángulo de disparo: los ángulos de disparo de hasta 90° corresponden a la rectificación y dan como resultado tensiones de CC positivas, mientras que los ángulos de disparo superiores a 90° corresponden a la inversión y dan como resultado tensiones de CC negativas. ^{[ 15 ]} Sin embargo, el ángulo de disparo no puede extenderse hasta 180°, por dos razones. En primer lugar, debe tenerse en cuenta el ángulo de solapamiento μ, y en segundo lugar, un ángulo de extinción adicional γ que es necesario para que las válvulas recuperen su capacidad de soportar tensión positiva después de conducir corriente. El ángulo de extinción γ está relacionado con el tiempo de desconexión t _q de los tiristores. Un valor típico de γ es 15°. α, γ y μ están interrelacionados de la siguiente manera:

${\displaystyle \gamma =180-\alpha -\mu }$(en grados)

Con un cambio de fase de solo 60°, se produce una considerable distorsión armónica tanto en los terminales de CC como de CA cuando se utiliza la configuración de seis pulsos. Se necesitan componentes de filtrado grandes para restaurar las formas de onda a sinusoidales. Una mejora de la configuración de puente de seis pulsos utiliza 12 válvulas en un puente de doce pulsos . ^{[ 11 ]} Un puente de doce pulsos es, en efecto, dos puentes de seis pulsos conectados en serie en el lado de CC y dispuestos con un desfase entre sus respectivas fuentes de CA de manera que se cancelen algunas de las tensiones y corrientes armónicas.

El desfase entre las dos fuentes de alimentación de CA suele ser de 30° y se consigue mediante transformadores convertidores con dos devanados secundarios diferentes (o devanados de válvula ). Normalmente, uno de los devanados de válvula está conectado en estrella (Y) y el otro en triángulo. ^{[ 16 ]} Con doce válvulas que conectan cada uno de los dos conjuntos de tres fases a los dos raíles de CC, se produce un cambio de fase cada 30°, y los niveles de armónicos de baja frecuencia se reducen considerablemente, simplificando notablemente los requisitos de filtrado. Por este motivo, el sistema de doce pulsos se ha convertido en estándar en casi todos los sistemas HVDC con convertidor conmutado por línea, aunque los sistemas HVDC construidos con válvulas de arco de mercurio prevén el funcionamiento temporal con uno de los dos grupos de seis pulsos en derivación.

Early LCC systems used mercury-arc valves, with designs that had evolved from those used on high power industrial rectifiers.^[17] A number of adaptations were needed to make such valves suitable for HVDC, in particular the use of anode voltage grading electrodes to minimise the risk of arc-back at the very high reverse voltages experienced in HVDC.^[18] Much of the pioneering work in this area was performed in Sweden by Dr Uno Lamm, widely considered the "Father of HVDC" and in whose name the IEEE introduced the "Uno Lamm Award" for outstanding contributions in the field of HVDC.^[19] The very long anode columns needed for high voltage applications limited the current which could safely be carried by each anode, so most mercury-arc valves for HVDC used several (most often, four) anode columns in parallel per valve.^[6]

Usually, each arm of each six-pulse bridge consisted of only one mercury-arc valve, but two projects built in the former Soviet Union used two or three mercury-arc valves in series per arm, without parallel connection of anode columns.^[20]

Mercury arc valves for HVDC were rugged but required high maintenance. Because of this, most mercury-arc HVDC systems were built with bypass switchgear across each six-pulse bridge so that the HVDC scheme could be operated in six-pulse mode for short periods of maintenance.^[16][21]

Mercury arc valves were built with ratings of up to 150 kV, 1800 A. The last (and most powerful) mercury arc system installed was that of the Nelson River DC Transmission System in Canada, which used six anode columns in parallel per valve and was completed in 1977.^[22][23] The last operating mercury arc system (the HVDC Inter-Island link between the North and South Islands of New Zealand) was shut down in 2012. Mercury arc valves were also used on the following HVDC projects:^[24]

• The Elbe Project in Berlin, Germany
• The Moscow–Kashira project in Russia^[20]
• The first phase of the Gotland project in Sweden
• The original (160 MW) Cross Channel project between England and France
• El proyecto Volgogrado-Donbass que une Rusia y Ucrania ^{[ 20 ]}
• La primera fase del enlace Konti-Skan entre Suecia y Dinamarca.
• El convertidor de frecuencia Sakuma en Japón
• La primera fase del enlace Italia-Córcega-Cerdeña
• La primera fase del enlace de la isla de Vancouver en Canadá.
• La primera fase de la interconexión Pacific DC desde Oregón hasta Los Ángeles en los Estados Unidos.
• El enlace Kingsnorth en Londres , Inglaterra
• La primera fase del sistema de transmisión de corriente continua del río Nelson en Canadá.

La válvula de tiristor se utilizó por primera vez en sistemas HVDC en 1972 en la estación convertidora de Eel River en Canadá . ^{[ 23 ]} El tiristor es un dispositivo semiconductor de estado sólido similar al diodo , pero con un terminal de control adicional que se utiliza para encender el dispositivo en un instante definido. Debido a que los tiristores tienen voltajes de ruptura de solo unos pocos kilovoltios cada uno, las válvulas de tiristor HVDC se construyen utilizando un gran número de tiristores conectados en serie. Los componentes pasivos adicionales, como los condensadores de gradación y las resistencias, deben conectarse en paralelo con cada tiristor para asegurar que el voltaje a través de la válvula se comparta uniformemente entre los tiristores. El tiristor más sus circuitos de gradación y otros equipos auxiliares se conoce como nivel de tiristor .

Cada válvula de tiristor normalmente contiene decenas o cientos de niveles de tiristores, cada uno operando a un potencial diferente (alto) con respecto a tierra. ^{[ 16 ]} Por lo tanto, la información de comando para encender los tiristores no puede simplemente enviarse mediante una conexión por cable, sino que debe estar aislada. El método de aislamiento puede ser magnético (usando transformadores de impulsos ), pero generalmente es óptico . Se utilizan dos métodos ópticos: disparo óptico indirecto y directo. En el método de disparo óptico indirecto, la electrónica de control de bajo voltaje envía pulsos de luz a través de fibras ópticas a la electrónica de control de alto voltaje , que obtiene su energía del voltaje a través de cada tiristor. El método alternativo de disparo óptico directo prescinde de la mayor parte de la electrónica de alto voltaje, utilizando en su lugar pulsos de luz de la electrónica de control para conmutar tiristores activados por luz (LTT), ^{[ 25 ]} aunque aún puede ser necesaria una pequeña unidad electrónica de monitoreo para la protección de la válvula.

Hasta 2012, se habían utilizado válvulas de tiristor en más de 100 esquemas HVDC, y muchos más aún estaban en construcción o en fase de planificación. La potencia nominal más alta de cualquier convertidor HVDC individual (puente de doce pulsos) en funcionamiento fue de 2000  MW en 2010, en el  esquema Ningdong-Shandong de ±660 kV en China . Se proporcionan dos de estos convertidores en cada extremo del esquema, que es de construcción bipolar convencional. ^{[ 2 ]} Desde 2007, la tensión nominal más alta de un convertidor HVDC individual ha sido la del esquema NorNed de  ±450 kV que conecta Noruega con los Países Bajos , que tiene solo un convertidor en cada extremo en una disposición inusual para un esquema HVDC LCC. ^{[ 3 ]}

Desde el primer esquema VSC-HVDC instalado (el enlace experimental Hellsjön puesto en marcha en Suecia en 1997 ^{[ 7 ]} ) hasta 2012, la mayoría de los sistemas VSC-HVDC construidos se basaron en el convertidor de dos niveles . El convertidor de dos niveles es el tipo más simple de convertidor de fuente de tensión trifásico ^{[ 29 ]} y puede considerarse como un puente de seis pulsos en el que los tiristores se han sustituido por IGBT con diodos en paralelo inverso, y los reactores de suavizado de CC se han sustituido por condensadores de suavizado de CC . Dichos convertidores derivan su nombre del hecho de que la tensión en la salida de CA de cada fase se conmuta entre dos niveles de tensión discretos, correspondientes a los potenciales eléctricos de los terminales de CC positivo y negativo. Cuando se abre la válvula superior de las dos en una fase, el terminal de salida de CA se conecta al terminal de CC positivo, lo que da como resultado una tensión de salida de + 1/2 U d con respecto al potencial de punto medio del convertidor _{. Por el contrario} , cuando se activa la válvula inferior de una fase, el terminal de salida de CA se conecta al terminal negativo de CC, lo que resulta en una tensión de salida de − 1/2 U d . _{Las dos válvulas correspondientes a una fase nunca deben activarse simultáneamente, ya que esto provocaría una descarga incontrolada del condensador de CC, con el consiguiente riesgo} de daños graves al equipo convertidor.

La forma de onda más simple (y también, la de mayor amplitud) que puede producir un convertidor de dos niveles es una onda cuadrada ; sin embargo, esto produciría niveles inaceptables de distorsión armónica, por lo que siempre se utiliza alguna forma de modulación por ancho de pulso (PWM) para mejorar la distorsión armónica del convertidor. Como resultado de la PWM, los IGBT se encienden y apagan muchas veces (típicamente 20) en cada ciclo de la red. ^{[ 30 ]} Esto produce altas pérdidas de conmutación en los IGBT y reduce la eficiencia de transmisión general . Son posibles varias estrategias de PWM diferentes para HVDC ^{[ 31 ]} pero en todos los casos la eficiencia del convertidor de dos niveles es significativamente peor que la de un LCC debido a las mayores pérdidas de conmutación. Una estación convertidora HVDC LCC típica tiene pérdidas de potencia de alrededor del 0,7 % a plena carga (por extremo, excluyendo la línea o cable HVDC) mientras que con convertidores de fuente de tensión de 2 niveles la cifra equivalente es del 2-3 % por extremo.

Otra desventaja del convertidor de dos niveles es que, para lograr los voltajes de operación muy altos requeridos para un esquema HVDC, se deben conectar varios cientos de IGBT en serie y conmutarlos simultáneamente en cada válvula. ^{[ 32 ]} Esto requiere tipos especializados de IGBT con circuitos de control de puerta sofisticados y puede generar niveles muy altos de interferencia electromagnética .

En un intento por mejorar el deficiente rendimiento armónico del convertidor de dos niveles, algunos sistemas HVDC se han construido con convertidores de tres niveles . Los convertidores de tres niveles pueden sintetizar tres (en lugar de solo dos) niveles de voltaje discretos en el terminal de CA de cada fase: + ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d , 0 y - ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d . Un tipo común de convertidor de tres niveles es el convertidor de sujeción de diodos (o de sujeción de punto neutro ), donde cada fase contiene cuatro válvulas IGBT, cada una con una capacidad nominal de la mitad del voltaje de línea a línea de CC, junto con dos válvulas de diodo de sujeción. ^{[ 32 ]} El condensador de CC se divide en dos ramas conectadas en serie, con las válvulas de diodo de sujeción conectadas entre el punto medio del condensador y los puntos de un cuarto y tres cuartos en cada fase. Para obtener una tensión de salida positiva (+ 1/2 U d ) _, se activan las dos válvulas IGBT superiores; para obtener una tensión de salida negativa (- 1/2 U d ) _, se activan las dos válvulas IGBT inferiores ; y para obtener una tensión de salida cero , se activan las dos válvulas IGBT centrales. En este último caso, las dos válvulas de diodo de sujeción completan el circuito de corriente a través de la fase.

En una mejora del convertidor con diodos de sujeción, el llamado convertidor con punto neutro activo de sujeción , las válvulas de diodo de sujeción se reemplazan por válvulas IGBT, lo que proporciona una mayor capacidad de control. Dichos convertidores se utilizaron en el proyecto Murraylink ^{[ 33 ]} en Australia y en el enlace Cross Sound Cable en Estados Unidos . ^{[ 34 ]} Sin embargo, la modesta mejora en el rendimiento armónico tuvo un costo considerable en términos de mayor complejidad, y el diseño resultó difícil de escalar a voltajes de CC superiores a los ±150  kV utilizados en esos dos proyectos.

Otro tipo de convertidor de tres niveles, utilizado en algunos variadores de velocidad pero nunca en HVDC, reemplaza las válvulas de diodo de sujeción por un condensador flotante separado y aislado conectado entre los puntos de un cuarto y tres cuartos. ^{[ 32 ]} El principio de funcionamiento es similar al del convertidor con diodo de sujeción. Tanto la variante con diodo de sujeción como la de condensador flotante del convertidor de tres niveles pueden extenderse a un mayor número de niveles de salida (por ejemplo, cinco), pero la complejidad del circuito aumenta desproporcionadamente y dichos circuitos no se han considerado prácticos para aplicaciones HVDC.

Como ya se mencionó anteriormente, tanto los convertidores de dos niveles como los de tres niveles requieren la conmutación simultánea de cientos de transistores conectados en serie y no pueden escalar más allá de ±150  kV, ya que esta tarea resulta demasiado compleja. El convertidor modular multinivel (MMC) se desarrolló como solución a este problema, dado que sus transistores no conmutan simultáneamente. ^{[ 35 ]}

Propuesto por primera vez para aplicaciones HVDC en 2003 por Marquardt ^{[ 8 ]} y utilizado comercialmente por primera vez en el proyecto Trans Bay Cable en San Francisco , ^{[ 36 ]} el MMC se está convirtiendo ahora en el tipo más común de convertidor de fuente de voltaje para HVDC. ^{[ 37 ]}

Al igual que el convertidor de dos niveles y el convertidor conmutado por línea de seis pulsos, un MMC consta de seis válvulas, cada una de las cuales conecta un terminal de CA a un terminal de CC. Sin embargo, mientras que cada válvula del convertidor de dos niveles es, en efecto, un interruptor controlado de alta tensión compuesto por un gran número de IGBT conectados en serie, cada válvula de un MMC es una fuente de tensión controlable independiente. Cada válvula del MMC consta de varios submódulos convertidores independientes , cada uno con su propio condensador de almacenamiento. En la forma más común del circuito, la variante de medio puente , cada submódulo contiene dos IGBT conectados en serie a través del condensador, con la conexión del punto medio y uno de los dos terminales del condensador expuestos como conexiones externas. ^{[ 36 ]} Dependiendo de cuál de los dos IGBT de cada submódulo esté activado, el condensador se deriva o se conecta al circuito. Por lo tanto, cada submódulo actúa como un convertidor de dos niveles independiente que genera una tensión de 0 o U _sm (donde U _sm es la tensión del condensador del submódulo). Con un número adecuado de submódulos conectados en serie, la válvula puede sintetizar una forma de onda de voltaje escalonada que se aproxima mucho a una onda sinusoidal y contiene niveles muy bajos de distorsión armónica.

El MMC se diferencia de otros tipos de convertidores en que la corriente fluye continuamente en las seis válvulas del convertidor durante todo el ciclo de frecuencia de la red. Como resultado, conceptos como "estado encendido" y "estado apagado" carecen de sentido en el MMC. La corriente continua se divide equitativamente entre las tres fases y la corriente alterna se divide equitativamente entre la válvula superior e inferior de cada fase. ^{[ 36 ]} Por lo tanto, la corriente en cada válvula se relaciona con la corriente continua I _d y la corriente alterna I _ac de la siguiente manera:

Válvula superior:${\displaystyle {I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}+{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

Válvula inferior:${\displaystyle {I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}-{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

Un MMC típico para una aplicación HVDC contiene alrededor de 300 submódulos conectados en serie en cada válvula y, por lo tanto, es equivalente a un convertidor de nivel 301. En consecuencia, el rendimiento armónico es excelente y normalmente no se necesitan filtros. Otra ventaja del MMC es que no se necesita PWM, con lo que las pérdidas de potencia son mucho menores que las del convertidor de 2 niveles, alrededor del 1 % por extremo. ^{[ 38 ] [ 37 ] [ 39 ]} Finalmente, como no es necesaria la conexión en serie directa de IGBT, los controladores de puerta de IGBT no necesitan ser tan sofisticados como los de un convertidor de 2 niveles.

El MMC tiene dos desventajas principales. En primer lugar, el control es mucho más complejo que el de un convertidor de dos niveles. Equilibrar los voltajes de cada uno de los condensadores del submódulo es un desafío importante y requiere una considerable capacidad de procesamiento y comunicaciones de alta velocidad entre la unidad de control central y la válvula. En segundo lugar, los condensadores del submódulo son grandes y voluminosos. ^{[ 40 ]} Un MMC es considerablemente más grande que un convertidor de dos niveles de potencia comparable, aunque esto puede compensarse con el ahorro de espacio al no requerir filtros.

A fecha de 2012, el sistema HVDC MMC de mayor capacidad en funcionamiento sigue siendo el proyecto de cable Trans Bay de  400 MW , pero hay muchos proyectos más grandes en construcción, incluida una interconexión de cable subterráneo de Francia a España que consta de dos enlaces de 1000 MW en paralelo a un voltaje de ±320 kV. ^{[ 41 ]}  

Variantes

Una variante del MMC, propuesta por un fabricante, consiste en conectar varios IGBT en serie en cada uno de los dos interruptores que componen el submódulo. Esto proporciona una forma de onda de voltaje de salida con menos pasos, pero de mayor amplitud, que la configuración MMC convencional. Esta configuración se conoce como convertidor de dos niveles en cascada (CTL). ^{[ 38 ]} Funcionalmente, es exactamente equivalente al MMC de medio puente convencional en todos los aspectos, excepto en el rendimiento armónico, que es ligeramente inferior, aunque se afirma que sigue siendo lo suficientemente bueno como para evitar la necesidad de filtrado en la mayoría de los casos.

Otra alternativa reemplaza el submódulo MMC de medio puente descrito anteriormente, con un submódulo de puente completo que contiene cuatro IGBT en una configuración de puente H , en lugar de dos. ^{[ 42 ]} La variante de puente completo de MMC permite insertar el condensador del submódulo en el circuito con cualquier polaridad. Esto confiere flexibilidad adicional en el control del convertidor y permite que este bloquee la corriente de falla que surge de un cortocircuito entre los terminales de CC positivo y negativo (algo imposible con cualquiera de los tipos anteriores de VSC). Además, permite que la tensión de CC sea de cualquier polaridad (como un esquema LCC HVDC), lo que da lugar a la posibilidad de sistemas HVDC híbridos LCC y VSC. Sin embargo, la configuración de puente completo requiere el doble de IGBT y tiene mayores pérdidas de potencia que la configuración equivalente de medio puente.

Se han propuesto otros tipos de convertidores que combinan características de los convertidores de dos niveles y los convertidores multinivel modulares. ^{[ 43 ]} Estos sistemas VSC híbridos buscan lograr las bajas pérdidas y el alto rendimiento armónico del MMC con un diseño más compacto y mayor controlabilidad, pero estos conceptos aún se encuentran en fase de investigación. ^{[ 44 ]}