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29 de enero de 2021 | por: José Gutiérrez | 0 comentarios

La electrónica de potencia industrial en el transporte eléctrico en CC

Aunque la mayor parte de las líneas de transporte de electricidad son de corriente alterna, cada vez hay más instalaciones de transporte eléctrico de alta tensión en corriente continua, debido a diferentes factores: a las nuevas necesidades de transporte a grandes distancias, al aumento de las centrales de producción con energías renovables, pero sobre todo gracias al desarrollo de la electrónica de potencia. Todo ello está posibilitando que cada vez se estén proyectando y ejecutando más líneas de transporte de corriente continua en alta tensión, es decir líneas HVDC (High Voltage Direct Current).

De hecho, los grandes fabricantes de equipos y dispositivos para las grandes líneas de trasporte, como ALMSTON, ABB o SIEMENS, están desarrollando soluciones para el transporte en corriente continua de alta tensión, es decir sistemas HVDC que trabajan con niveles de tensión de ±400 kV a ±800 kV en determinadas instalaciones, para transmitir la energía eléctrica mediante corriente continua.

En un sistema HVDC, la energía alterna de la red general es elevada con un transformador previo y a continuación se hace pasar por un convertidor rectificador para transformarla en corriente continua, la cual se transporta por una red subterránea, marina o aérea hasta otro convertidor, en este caso inversor, que la transforma de nuevo en alterna con la misma tensión y frecuencia de la red a la que se inyecta.

Básicamente existen dos tecnologías de transmisión o transporte HVDC:

  1. La tecnología HVDC clásica o LCC (Line Commutated Converter) que utiliza tiristores como elemento de conmutación.
  2. La tecnología HVDC VSC (Voltage Source Converter) que se implementa a partir de convertidores con IGBT.

Pero esta tecnología HVDC, aunque está teniendo su auge ahora, no es nueva pues la invención de los rectificadores de arco de mercurio en los años treinta hizo posible el diseño de la primera línea conmutada a base de convertidores de este tipo.

Y ya en la década de los 50’s se inauguró una línea submarina de 100 kV de 100 km de longitud y con 20 MW de potencia, para interconectar en Suecia la isla de Gotland con la península.

Así se fueron realizando otros proyectos hasta el año 2000 donde la tecnología de los enlaces HVDC utilizaba exclusivamente convertidores conmutados por red mediante tiristores, es decir la tecnología clásica LCC (Line Conmutated Converter).

Pero a partir de esta fecha, gracias al avance de la electrónica industrial, con el gran desarrollo de los dispositivos electrónicos de potencia (IGBT, GTO, etc.), surgió la nueva tecnología anteriormente comentada, la tecnología HVDC con convertidores autoconmutados VSC (Voltage source converters).

No obstante, la tecnología HVDC clásica o LCC también hacía uso de la electrónica de potencia, en concreto realizaba un uso intensivo de tiristores SCRs que permitían controlar el momento de disparo, aunque no el momento de corte en la conversión, por lo cual debía dimensionarse una potencia de cortocircuito adicional para la conmutación en el apagado de los tiristores. Y esta potencia adicional requería de un suministro de alguna red en paralelo además de dotarla de los necesarios filtros de CA y CC para la minimización de los armónicos generados por la propia electrónica de conversión.

Esquema de un sistema HVDC-LCC. Fuente:www.researchgate.net

Pero la evolución en el campo de la electrónica de potencia, entre finales del siglo XX y principios del siglo XXI, y más concretamente con el desarrollo de los IGBT y los GTO, que permitían manejar altos niveles de tensión y de corriente haciendo innecesaria la conexión de un gran número de tiristores en serie, fue el germen para el nacimiento de la nueva tecnología HVDC-VSC de transporte de alta tensión en continua.

Y todo fue como consecuencia del avance de la electrónica industrial, donde ya se usaban los convertidores electrónicos VSC con estrategias de modulación de ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation) para el control de motores. Y así de la industria, estos convertidores VSC, dieron el salto al transporte eléctrico de alta tensión.

Las principales ventajas de estas tecnologías se ponen de manifiesto en el propio transporte eléctrico, pasando de cableado eléctrico trifásico a cableado para corriente continua, con las ventajas asociadas y la tecnología apropiada para ello. Sin embargo, la tecnología de la electrónica de potencia está fundamentalmente en las estaciones convertidoras, que son precisamente las que han permitido llevar a la práctica el transporte en continua.

Y es en las estaciones convertidoras donde están los convertidores de fuente de tensión, es decir es donde se produce la conversión de corriente alterna en corriente continua, y viceversa. Todo ello se produce utilizando convertidores electrónicos de potencia, fundamentalmente rectificadores e inversores, para conseguir la regulación de tensión y en consecuencia del sentido del flujo de potencia. Y los convertidores de fuente de tensión están compuestos de dispositivos electrónicos de potencia, generalmente IGBT o GTO, y pueden controlar independientemente tanto el flujo de potencia activa como reactiva. Así por medio de la potencia activa se puede determinar el funcionamiento como rectificador o como inversor.

Esquema simple de un sistema HVDC-VSC

En modo inversor, el convertidor VSC transforma la corriente continua en corriente alterna, generalmente trifásica. Y a su vez puede variar tanto la amplitud de la tensión, y por tanto su valor eficaz, como la frecuencia de la onda generada. Mientras en modo rectificador lo que hace es pasar la corriente alterna a continua.

En los convertidores de fuente de tensión la tensión siempre tiene la misma polaridad en ambos terminales, y el control de la potencia se consigue variando la intensidad de corriente. Así pues, para controlar tanto la tensión de salida alterna como el flujo de potencia, así como para conseguir una reducción de los armónicos, los convertidores VSC utilizan técnicas como la modulación por ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation), o estrategias multinivel.

Estación conversora HVDC VSC. Fuente: www.think-grid.org

Autor: José Javier Díez Vidal, docente del Máster en Electrónica Industrial, Automatización y Control y en el Máster en Gerencia e Ingeniería  del Mantenimiento Industrial de EADIC.

 

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