Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA - BARCELONATECH Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Projecte Final de Grau Autor: Marc Antoni Molio Dolezal Tutor: J. Ignacio Candela 10/06/2015 Grau en Enginyeria Elèctrica - Escola d'Enginyeria de Terrassa - UPC Resum Aquest projecte presenta un estudi de la transmissió de potència en alta tensió amb corrent continu fent servir convertidors commutats per la línia. S'introdueix a les diferents tecnologies existents i més destacades per aquests tipus de sistemes de transmissió, els elements necessaris per al correcte funcionament, així com diverses estratègies per al control dels convertidors LCC. Tot seguit, es desenvolupa una aplicació pràctica amb els càlculs del que podria ser una instal·lació real. Aquesta part consisteix en un sistema HVDC bipolar de potència 200 MW, amb una connexió punt a punt entre l'illa de Mallorca i l'illa d'Eivissa per tal d'eliminar l'actual aïllament del sistema insular d'Eivissa i permetre la connexió elèctrica de les Illes Balears amb la Península Ibèrica. Finalment, es proposa una emulació per aquest sistema HVDC Mallorca-Eivissa, el qual es realitza amb el software PSIM-Simwiev. A més, de diferents simulacions del comportament del sistema HVDC estudiat, en front a situacions de falles o règim nominal de funcionament. Agraïments Agrair en primer lloc a la meva família per tot el suport que m'han donat, especialment als meus pares i la meva germana. Seguidament als meus amics de sempre, i a totes les noves persones que he anat coneixent durant els darrers quatre anys d'estudis lluny de casa. Finalment, agrair a tot el professorat de la EET que m'ha ajudat en qualsevol consulta per la carrera tant com a la realització del projecte. Índex Resum ......................................................................................................................................... 3 Agraïments .................................................................................................................................. 3 Capítol 1. Estudi de l'art 0. Introducció.......................................................................................................................... 12 1. Tipologies de sistemes HVDC ............................................................................................... 13 1.1. Tipus de connexió......................................................................................................... 13 1.1.1. Connexió Monopolar ............................................................................................. 13 1.1.2. Connexió Bipolar ................................................................................................... 14 1.1.3. Connexió Homopolar ............................................................................................. 15 1.2. Configuracions dels sistemes HVDC .............................................................................. 16 1.2.1. Configuració Back-to-back ..................................................................................... 16 1.2.2. Configuració Point-to-point (punt a punt) .............................................................. 16 1.2.3. Configuració Multiterminal .................................................................................... 17 1.2.4. Configuració Unitària ............................................................................................. 18 2. Components d'un sistema de transmissió HVDC .................................................................. 18 2.1. Convertidors................................................................................................................. 19 2.1.1. Convertidor trifàsic de pont complet (6 polsos)...................................................... 20 2.1.2. Convertidor trifàsic a 12 polsos .............................................................................. 30 2.2. Inductors de línia DC .................................................................................................... 33 2.3. Filtres d'harmònics en DC ............................................................................................. 35 2.4. Transformadors de conversió ....................................................................................... 36 2.5. Fonts de potència reactiva ............................................................................................ 37 2.6. Filtres d'harmònics en AC ............................................................................................. 38 2.7. Línies DC....................................................................................................................... 40 2.7.1. Línies aèries ........................................................................................................... 40 2.7.2. Línies subterrànies o submarines ........................................................................... 41 2.8. Elèctrodes de terra ....................................................................................................... 43 2.9. Altres elements d'un sistema HVDC .............................................................................. 44 3. Control de reactiva .............................................................................................................. 47 3.1. Compensador síncron (SC) ............................................................................................ 48 3.2. Compensador estàtic var (SVC) ..................................................................................... 49 3.3. Banc de condensadors .................................................................................................. 50 3.4. Compensador estàtic STATCOM ................................................................................... 51 4. Instal·lacions existents ........................................................................................................ 53 5. Control clàssic ..................................................................................................................... 59 5.1. Control principal d'un sistema HVDC ............................................................................ 61 5.2. Controls secundaris d'un sistema HVDC ........................................................................ 64 5.3. Aplicació del control ..................................................................................................... 67 6. Proteccions ......................................................................................................................... 69 6.1. Proteccions en el costat DC .......................................................................................... 69 6.2. Proteccions en el costat AC........................................................................................... 70 7. Falles................................................................................................................................... 71 7.1. Falles en les línies DC .................................................................................................... 71 7.2. Falles en convertidors ................................................................................................... 72 7.3. Falles en el sistema AC.................................................................................................. 72 8. Impactes mediambientals ................................................................................................... 74 8.1. Impacte de les subestacions de conversió..................................................................... 74 8.2. Impacte dels cables marins ........................................................................................... 75 8.3. Impacte dels elèctrodes ................................................................................................ 75 8.4. Impacte de les línies aèries ........................................................................................... 76 Capítol 2. Aplicació d'un sistema HVDC 1. Descripció general ............................................................................................................... 78 2. Dades de Partida ................................................................................................................. 80 3. Convertidors ....................................................................................................................... 83 4. Transformadors convertidors .............................................................................................. 87 5. Cables ................................................................................................................................. 88 5.1. Cables de potència (pols) .............................................................................................. 88 5.2. Cable de retorn ............................................................................................................ 90 5.3. Pèrdues en els cables ................................................................................................... 92 6. Filtres .................................................................................................................................. 93 6.1. Filtres en la part AC ...................................................................................................... 93 6.1.1. Filtres AC de Mallorca ................................................................................................ 93 6.1.1. Filtres AC d'Eivissa ..................................................................................................... 99 6.2. Filtres en la part DC .................................................................................................... 102 7. Font de reactiva ................................................................................................................ 103 8. Resum dades sistema HVDC Mallorca-Eivissa .................................................................... 104 9. Consideracions econòmiques ............................................................................................ 105 9.1. Cost previst aproximat per al sistema HVDC Mallorca-Eivissa ..................................... 108 Capítol 3. Modelat del sistema HVDC 1. Modelat del sistema HVDC Mallorca-Eivissa ...................................................................... 109 2. Modelat dels filtres d'alterna ............................................................................................ 111 3. Modelat dels bancs de condensadors ................................................................................ 112 4. Modelat del analitzador de xarxes ..................................................................................... 113 5. Controlador alfa i gamma .................................................................................................. 114 6. Control del rectificador ..................................................................................................... 115 7. Control de l'inversor .......................................................................................................... 116 8. Control central d'un pol..................................................................................................... 117 Capítol 4. Resultats 1. Condicions nominals ......................................................................................................... 119 2. Falla en la part alterna del rectificador .............................................................................. 120 3. Falla en la part alterna del inversor ................................................................................... 122 4. Falla en la línia DC ............................................................................................................. 123 Conclusions .............................................................................................................................. 125 Bibliografía ........................................................................................................................... 126 Índex de figures Figura 1. Gràfic orientatiu dels costs d'inversió en funció de la distància.................................. 13 Figura 2. Connexió HVDC monopolar. ...................................................................................... 14 Figura 3. Connexió HVDC bipolar. ............................................................................................ 15 Figura 4. Connexió HVDC homopolar. ...................................................................................... 15 Figura 5. Configuració HVDC Back-to-Back. ............................................................................. 16 Figura 6. Configuració HVDC multiterminal en paral·lel mallat. ............................................... 17 Figura 7. Configuració HVDC multiterminal en paral·lel radial. ................................................ 17 Figura 8. Configuració HVDC multiterminal en sèrie. ............................................................... 18 Figura 9. Esquema bàsic dels principals components d'un sistema HVDC monopolar. .............. 19 Figura 10. Convertidor trifàsic de pont complet ....................................................................... 20 Figura 11. Circuit equivalent per al convertidor trifàsic de pont complet. ................................. 21 Figura 12. Tensions de fase i de línia de la font AC. (b) Corrents que passen per els tiristors i els períodes de conducció. (c) Corrent de la fase ia [4] ................................................................... 22 Figura 13. Formes d'ona de les tensions i els corrents que passen per els tiristors amb angle de dispar α. [4] ............................................................................................................................ 24 Figura 14. Efecte de l'angle de dispar α amb el desfasament entre la tensió alterna de fase i el corrent altern de fase. [4] ........................................................................................................ 25 Figura 15. Forma d'ona del corrent altern de línia. .................................................................. 25 Figura 16. Canvi de direcció del corrent altern en funció de l'angle de dispar α. [5] .................. 27 Figura 17. Períodes de commutació entre els diferents tiristors en mode rectificador. [4] ........ 27 Figura 18. Formes d'ona de les tensions en ambdós modes del convertidor. [4] ....................... 28 Figura 19. Circuit equivalent del pont rectificador.................................................................... 29 Figura 20. Circuit equivalent del pont inversor, (a) en termes de β i (b) en termes de γ. ............ 29 Figura 21. Pont convertidor a 12 polsos. .................................................................................. 30 Figura 22. Formes d'ona de la tensió contínua i del corrent altern. [5] ..................................... 31 Figura 23. Composició d'una torre de vàlvules HVDC. [5] ......................................................... 32 Figura 24. Convertidor de 12 polsos de la connexió HVDC Inter-Island entre les illes del Nord i el Sud de Nova Zelanda. [6] ........................................................................................................ 33 Figura 25. Primer inductor allisador amb aïllament per aire de 75 mH, a 800 kV HVDC i 4000 A fabricat per BPEG reactors l'any 2008. [7] ............................................................................... 34 Figura 26. Filtre individualment sintonitzat. [9] ....................................................................... 35 Figura 27. Filtre doblement sintonitzat. [9] .............................................................................. 36 Figura 28. Transformador monofàsic de Siemens utilitzat en el sistema HVDC per unir Australia amb l'illa de Tasmània. [10] .................................................................................................... 37 Figura 29. Banc de condensadors de 75 MVar a 150 kV. [11] ................................................... 38 Figura 30. Corrents harmòniques per a un convertidor de 6 polsos. [5] .................................... 38 Figura 31. Corrents harmòniques per a un convertidor de 12 polsos. [5] .................................. 39 Figura 32. Exemple de filtre per a un convertidor de 12 polsos, amb dues rames sintonitzades per eliminar el 11è i el 13è harmònic i un filtre passa alta. ........................................................ 40 Figura 33. Diferència entre torres per transmetre una mateixa potència. [12] ......................... 41 Figura 34. Detall de cable MI. .................................................................................................. 41 Figura 35. Detall de cable OF. .................................................................................................. 42 Figura 36. Cable XLPE trifàsic a l'esquerra i monofàsic a la dreta. ............................................ 42 Figura 37. Detall de cable PPLP. .............................................................................................. 43 Figura 38. Detall de cable extruït per VSC. ............................................................................... 43 Figura 39. Elèctrodes de la estació convertidora de Ibiuna, sistema HVDC Itaipú. [13] ............. 44 Figura 40. Interruptors AC instal·lats en la part alterna d'una subestació. [14] ........................ 45 Figura 41. Interruptors DC instal·lats a l'interior de la estació convertidora. [14] ..................... 45 Figura 42. A l'esquerra, un mesurador de corrent DC i a la dreta, un divisor de tensió DC. [14] 46 Figura 43. Components principals d'una subestació HVDC. [15] ............................................... 46 Figura 44. Consum de potència reactiva per un convertidor en mode inversor. [5] ................... 47 Figura 45. Compensador síncron sotaexcitat [16] .................................................................... 48 Figura 46. Compensador síncron sobreexcitat. [16] ................................................................. 48 Figura 47. Esquema d'un TCR i un TSC. .................................................................................... 49 Figura 48. Diferents combinacions entre TSC i TCR. [2] ............................................................ 49 Figura 49. Característica tensió-reactiva d'un SVC. [2] ............................................................. 50 Figura 50. Característica V-I i V-Q d'un STATCOM. [2] .............................................................. 51 Figura 51. Esquema bàsic d'un STATCOM. [17] ........................................................................ 52 Figura 52. Instal·lació de STATCOMs de forma modular dins containers protegits. [18]............ 52 Figura 53. Evolució històrica de la tecnologia HVDC. [2] .......................................................... 53 Figura 54. Laboratori a Trollhättan on feien els tests dels tiristors d'arc de mercuri utilitzats a Gotland. [19] ........................................................................................................................... 54 Figura 55. Estació convertidora a Echinghen, França. [19] ....................................................... 54 Figura 56. Estació convertidora de Sylmar, Los Ángeles. [20] ................................................... 55 Figura 57. Estació back-to-back al costat del riu Eel. [21]......................................................... 55 Figura 58. Estació inversora de Dorsey, al nord de Winnipeg. [22] ........................................... 56 Figura 59. Diferents bancs de condensadors a la estació inversora de Nan Qiao [23] ............... 56 Figura 60. Estació convertidora de Foz do Iguaçu, sistema HVDC Itaipú. [19] ........................... 57 Figura 61. Interior del edifici amb els diferents mòduls de vàlvules refrigerades. [23] .............. 57 Figura 62. Subestació convertidora de Santa Ponça [2] ............................................................ 58 Figura 63. Trajecte de la línia bipolar submarina. [2] ............................................................... 58 Figura 64. (a) Representació esquemàtica, (b) Circuit equivalent i (c) Perfil de tensió. .............. 59 Figura 65. Gràfic de tensió-corrent en règim permanent i condicions ideals. ............................ 61 Figura 66. Gràfic tensió-corrent en règim permanent i condicions normals. ............................. 62 Figura 67. Controlador de corrent. .......................................................................................... 63 Figura 68. Gràfic tensió-corrent amb la doble funcionalitat dels convertidors. ......................... 64 Figura 69. Control de tensió constant DC. ................................................................................ 65 Figura 70. Control Beta (β) de tensió. ...................................................................................... 65 Figura 71. Limitador de corrent en funció de la tensió alterna. ................................................ 66 Figura 72. Limitador de corrent en funció de la tensió continua. .............................................. 66 Figura 73. Gràfic tensió-corrent amb control VDCOL, límit de corrent mínima i límit d'angle de dispar mínim. .......................................................................................................................... 67 Figura 74. Esquema de control bàsic. ...................................................................................... 67 Figura 75. Jerarquia dels diferents sistemes de control HVDC. ................................................. 68 Figura 76. Perfil de tensió en línia DC. ..................................................................................... 71 Figura 77. Franja de servitud per el cas de 500 kV HVAC i ±500 kV HVDC per transmetre 3000 MW. [26] ................................................................................................................................ 77 Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 16 1.2. Configuracions dels sistemes HVDC Segons l'aplicació i el tipus de connexió implementat, es donen diferents configuracions en els sistemes HVDC que principalment podem distingir entre:  Sistema Back-to-back (''Espatlla amb espatlla'')  Sistema Point-to-point (Punt a Punt)  Sistema Multiterminal  Sistema Unitari 1.2.1. Configuració Back-to-back Aquest tipus de connexió s'utilitza per unir dos sistemes que operen amb fases diferents (asíncrons) o que tenen freqüències diferents. Es pot dissenyar tant per a funcionament monopolar com bipolar, depenent del objectiu de la interconnexió i el seu grau de fiabilitat. Mencionar també, que aquest tipus de connexió Back-to-back es realitza a l'interior d'una subestació, en el qual no serà necessari una línia de transmissió per unir els equips rectificadors i inversors, ja que es troben dins la mateixa instal·lació. Figura 5. Configuració HVDC Back-to-Back. 1.2.2. Configuració Point-to-point (punt a punt) La connexió Point-to-point es realitza directament entre dues subestacions (punt a punt). És la configuració més utilitzada en els sistemes HVDC, ja que per motius tècnics, econòmics o ambientals es millor que un sistema HVAC. Cada subestació funcionarà com un convertidor, és a dir, una com a rectificador i l'altre com a inversor en funció de la direcció del flux de potència. La major part d'aquestes connexions són bipolars, dissenyades per tenir la màxima independència entre ambdós pols (positiu i negatiu), i que únicament estan en funcionament monopolar quan hi ha alguna incidència. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 17 1.2.3. Configuració Multiterminal La configuració Multiterminal és utilitzada quan es connecten tres o més subestacions a un sistema HVDC. Segons la connexió dins del sistema multiterminal, es poden donar tres casos:  Multiterminal en paral·lel: els convertidors (subestacions) estan connectats en paral·lel i treballen a la mateixa tensió tots. Així mateix, les connexions poden ser de manera radial o mallada. Figura 6. Configuració HVDC multiterminal en paral·lel mallat. Figura 7. Configuració HVDC multiterminal en paral·lel radial.  Multiterminal en sèrie: els convertidors (subestacions) es connecten en sèrie tenint una corrent directa comú entre tots. La línia en DC està posada a terra nomes en una localització. Es fan servir per aplicacions que requereixen alts corrents i baixa tensió. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 18 Figura 8. Configuració HVDC multiterminal en sèrie.  Multiterminal mixta: els convertidors (subestacions) poden estar combinats en sèrie o en paral·lel, depenent de l'aplicació necessària. La disponibilitat d'interruptors en DC proporcionarà una major flexibilitat dels sistemes multiterminal i una major influencia en el futur. 1.2.4. Configuració Unitària La connexió unitària es fa servir quan l'energia es generada directament en DC o quan la transmissió en DC és utilitzada en el punt de generació d'energia. Aquest sistema és utilitzat generalment en centrals hidroelèctriques o eòliques, on la configuració permet millorar l'eficiència de les turbines, produint la màxima energia en cada moment donat, independentment de la velocitat a la que girin i la freqüència de generació. Ja que el inversor s'encarregarà de donar el senyal de tensió a la freqüència del sistema (50 o 60 Hz). És a dir, permet la connexió entre un generador a freqüència variable i un sistema a freqüència fixa. 2. Components d'un sistema de transmissió HVDC En ordre per assegurar un correcte funcionament d'un sistema HVDC, és necessari tenir en compte els principals components que formen el sistema. A continuació, s'enumeren els diferents components que podem veure amb la Figura 9 adjunta: 1. Convertidors 2. Inductors de línia DC 3. Filtres d'harmònics en costat DC 4. Transformadors de conversió 5. Fonts de potència reactiva 6. Filtres d'harmònics en costat AC 7. Línia DC Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 19 8. Elèctrodes de terra 9. Altres elements Figura 9. Esquema bàsic dels principals components d'un sistema HVDC monopolar. 2.1. Convertidors Són els components encarregats de la conversió de la tensió de AC a DC i de DC a AC respectivament. Els convertidors electrònics utilitzats en els sistemes HVDC es poden classificar principalment en dues tecnologies [2]:  LCC (Line-Commutated Converters), aquest tipus de convertidors fan servir tiristors commutats per la pròpia xarxa. Per aquest motiu, aquests convertidors s'instal·len en llocs on disposen d'una xarxa elèctrica forta. Aquest tipus de tecnologia és més madura i s'ha desenvolupat per a la transmissió de grans potències. En canvi, els convertidors LCC generen harmònics i requereixen grans filtres per limitar-los, així com una compensació de reactiva ja que consumeixen molta reactiva de la xarxa.  VSC (Voltage-Sourced Converters), aquests convertidors utilitzen transistors IGBT que es poden commutar per sí mateixos sense necessitat de la pròpia xarxa a la que van connectats. Aquesta tecnologia resulta molt útil quan es disposa d'una xarxa elèctrica més feble,quan es genera potència directament en DC o bé en parcs eòlics offshore. És una tecnologia més recent que no pas la LCC, per el moment transmeten menors potències. Però, en canvi generen menys harmònics a la xarxa i poden controlar la reactiva, resultant així més econòmics. En aquest estudi es farà referència a la tecnologia LCC, on els convertidors estan constituïts principalment per diferents grups de tiristors de alta tensió, que poden arribar a tensions de bloqueig fins a 8 kV, amb corrents màxims de 4 kA i poden utilitzar senyals elèctriques ETT (Electrical Triggered Thyristor) o bé senyals òptiques LTT (Light Triggered Thyristor) per a la obertura o dispar. Aquests tiristors estan connectats en sèrie per arribar a la tensió desitjada de funcionament, això implica la connexió de centenars de tiristors agrupats en diferents Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 20 conjunts anomenats vàlvules, els quals estan muntats en grans torres de forma modular. Solen tenir una disposició de 6 polsos o bé de 12 polsos (o més), segons el tipus de disseny desitjat [3]. 2.1.1. Convertidor trifàsic de pont complet (6 polsos) És el tipus de convertidor bàsic que es fa servir en els sistemes HVDC, aquest convertidor trifàsic de pont complet, també es coneix com el pont de Graetz [4]. En la part alterna del convertidor va connectat el transformador convertidor, que normalment es connecta en Y-Y (estrella - estrella) o bé en Y-∆ (estrella - triangle). Figura 10. Convertidor trifàsic de pont complet Per a l'estudi del comportament considerarem aquestes condicions:  Els tiristors són ideals, o sigui que tenen resistència cero quan condueixen i tenen resistència infinita quan no condueixen.  Considerarem una font ideal de tensió AC i freqüència constant, que inclou el transformador amb una inductància en sèrie que no provoca pèrdues (que representa la inductància paràsita del transformador).  El corrent continu és constant i sense rissat, a causa del gran valor del inductor allisador connectat a la part continua. Fent aquestes suposicions, el circuit equivalent que farem servir quedarà: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 21 Figura 11. Circuit equivalent per al convertidor trifàsic de pont complet. Tenint en compte el circuit equivalent de la Figura 11 podem definir les tensions de la font com: Tensions instantànies de fase (línia - neutre): ( 1 ) Tensions instantànies de línia (línialínia) com: ( 2 ) *Essent el valor de pic de la tensió de fase. Considerant la inductància paràsita menyspreable i sense angle de dispar: Essent = 0 , l'angle de dispar dels tiristors α = 0° i les anteriors tensions AC de la font ideal, del circuit equivalent mostrat anteriorment es tindran les següents formes d'ona: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 22 Figura 12. Tensions de fase i de línia de la font AC. (b) Corrents que passen per els tiristors i els períodes de conducció. (c) Corrent de la fase ia [4] Els tiristors 1,3 i 5 de la Figura 11 conduiran quan les tensions de fase ( , i ) siguin més positives. És a dir, quan és major que i el tiristor 1 s'obre i deixa passar el corrent. Quan és major que i condueix el tiristor 3. I quan és major que i condueix el tiristor 5. Mentre que els tiristors 4, 6 i 2 deixaran passar corrent quan les tensions de fase siguin més negatives. O sigui, quan és menor que i el tiristor 4 s'obre i permet el pas del corrent. Quan és menor que i condueix el tiristor 6. I quan és menor que i deixa conduir el corrent el tiristor 2. Si analitzem les formes d'ona de la Figura 12 (a) en el temps ωt podem deduir la seqüència en que s'obriran cadascun dels tiristors: - Durant ωt = -60° a 0° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Així doncs, conduiran els tiristors 1 i 2 respectivament. Resultant d'aquesta manera una tensió composta (o de línia) . - Durant ωt = 0° a 60° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Per consegüent, conduiran els tiristors 3 i 2 respectivament. Resultant així una tensió composta . Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 23 - Durant ωt = 60° a 120° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Doncs, conduiran els tiristors 3 i 4. Obtenint d'aquesta manera una tensió composta . - Durant ωt = 120° a 180° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Conseqüentment, conduiran els tiristors 5 i 4 respectivament. Resultant d'aquesta manera una tensió composta . - Durant ωt = 180° a 240° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Llavors, conduiran els tiristors 5 i 6. Obtenint així una tensió composta . - Durant ωt = 240° a 300° , la tensió de fase és la més positiva, mentre que la tensió de fase és la més negativa. Conseqüentment, conduiran els tiristors 1 i 6 respectivament. Resultant així una tensió composta . D'aquesta manera es completa un cicle i la seqüència torna a començar. Com hem descrit anteriorment, hi ha 6 diferents períodes per a cada cicle, per aquest motiu aquest tipus de convertidor ens referim com a pont complet de 6 polsos. Pel que fa a la tensió continua de línia s'obté a partir de les tensions compostes creades en cada període de 60° . El seu valor mig es pot calcular integrant el valor de la tensió instantània composta en un període. Si substituïm ωt per ϴ: ( 3 ) Si fem servir el valor eficaç (rms) de la tensió de fase ( ) o tensió de línia ( ), el valor de (que representa la tensió continua ideal sense càrrega) és: ( 4 ) ( 5 ) En la Figura 12 (b) podem veure els corrents que passen per cada tiristor segons la seqüència d'obertura i tancada dels mateixos. Els tiristors 1,3 i 5 deixen passar el corrent positiu mentre que els tiristors 2,4 i 6 condueixen el corrent negatiu. El valor del corrent que deixen passar quan estan oberts és el corrent Id per el pol positiu i - Id per el pol negatiu. Com podem apreciar, cada tiristor condueix per un període de 120°. Finalment la Figura 12 (c) representa el corrent que passa per la fase a i que travessa el secundari del transformador convertidor. El corrent ia és igual a i1 - i4 i té aquella forma d'ona mostrada per les diferents commutacions dels tiristors 1 i 4. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 24 Considerant la inductància paràsita menyspreable i angle de dispar α : Els tiristors poden controlar en quin temps o angle s'han d'obrir per deixar conduir el corrent. Aquest temps de retard o angle de dispar l'anomenem com a α. Amb un cert angle de dispar α, les formes d'ona quedaran llavors: Figura 13. Formes d'ona de les tensions i els corrents que passen per els tiristors amb angle de dispar α. [4] Com es pot observar els tiristors obren el pas del corrent a l'angle de dispar α . D'aquesta manera es pot controlar el valor de la tensió continua . Aquest angle de dispar α pot variar dins el rang entre 0° i 180° , més enllà de 180° els tiristors ja no podran obrir perquè la tensió de fase en qüestió no serà major que una altre i llavors el tiristor no deixa passar el corrent [4]. El valor de la tensió continua s'obtindrà de la mateixa manera però tenint en compte l'angle de dispar α: ( 6 ) Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 25 Com què α pot variar entre 0° i 180°, el cos α variarà entre 1 i -1. Per aquesta raó pot canviar de polaritat i el rectificador pot passar a operar com a inversor. Els tiristors segueixen conduint corrent per períodes de 120° , amb un valor de corrent continu en els tiristors superiors i en els tiristors inferiors. Pel que fa als corrents de línia alterns, quan augmenta l'angle α, també augmenta el desfasament entre la tensió alterna i el corrent altern, com queda mostrat a continuació: Figura 14. Efecte de l'angle de dispar α amb el desfasament entre la tensió alterna de fase i el corrent altern de fase. [4] Podem veure en la figura superior que és la tensió alterna de fase de la font AC, és el corrent que passa per la línia (a) alterna, mentre representa el fasor de tensió i fa referència al fasor de la component fonamental del corrent. L'angle φ és el desfasament entre la tensió alterna i el corrent altern. Si es realitza l'anàlisi de Fourier del corrent de línia altern, el valor de pic de la component fonamental és: Figura 15. Forma d'ona del corrent altern de línia. ( 7 ) Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 32 Pel que fa al factor de potència en termes de la tensió contínua és donat per: ( 24 ) A continuació es mostra un diagrama esquemàtic dels components i com es solen muntar els ponts convertidors trifàsics de 12 polsos [5]: Figura 23. Composició d'una torre de vàlvules HVDC. [5] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 33 Figura 24. Convertidor de 12 polsos de la connexió HVDC Inter-Island entre les illes del Nord i el Sud de Nova Zelanda. [6] 2.2. Inductors de línia DC També anomenats inductors allisadors, són grans reactàncies que poden arribar a grans valors d'inductància com 0,5 H o 1 H, i es connecten en sèrie amb la línia DC de cada estació convertidora. Tenen com objectiu de limitar els corrents de pic en els convertidors quan hi ha algun curtcircuit en la línia DC, permetent que es pugui controlar electrònicament abans la corrent no sigui massa gran. Així com, la prevenció de corrents discontínues quan es treballa a baixa càrrega. També prevenen possibles falls de commutació en els convertidors. Per calcular el valor del inductor allisador, es sol utilitzar el factor de la pendent del corrent, Si [5]: ( 25 ) On: = la tensió nominal DC per pol en kV = el corrent nominal DC en A = el valor de la inductància DC en H. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 34 fa referència al temps que triga el valor del corrent DC a arribar al seu valor nominal quan s'aplica la tensió nominal DC a l'inductor allisador DC. Normalment els valor de estan compresos entre: Per al disseny d'una estació convertidora es recomana que el valor . Aquest valor significa que en cas de curtcircuit abans del inductor DC, el corrent de curtcircuit arribaria a un valor de en un temps de 5 ms (mil·lisegons). Principalment es dissenyen dos tipus de inductors:  Inductor amb aïllament per aire: aquest tipus d'inductor és més econòmic quan es fan servir inductàncies més baixes. El principal avantatge del aïllament per aire és que el cost de manteniment és relativament baix, i en cas de que una unitat es faci malbé; es pot instal·lar una altre unitat de repost més fàcilment ja que el inductor allisador està format per diverses bobines parcials. Tanmateix, al estar exposats al aire lliure, són més sensibles davant a possibles contaminacions.  Inductor aïllat per oli en un dipòsit: Aquest tipus d'inductor es fa servir quan es tenen grans valors d'inductàncies. Són més efectius per a zones amb risc de terratrèmol, però el seu cost de manteniment és més alt degut a la inspecció regular de la qualitat de l'oli i les seves propietats. Figura 25. Primer inductor allisador amb aïllament per aire de 75 mH, a 800 kV HVDC i 4000 A fabricat per BPEG reactors l'any 2008. [7] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 35 2.3. Filtres d'harmònics en DC Els harmònics que generen els convertidors, tant el rectificador com el inversor, creen corrents harmòniques no desitjades que poden produir pertorbacions en línies de telecomunicació així com possibles sobreescalfaments en condensadors. Els harmònics de voltatge que es produeixen en el costat DC, donen lloc principalment a corrents harmònics d'ordre 6n o 12n, segons si es modulació a 6 polsos o 12 polsos respectivament. Per a evitar que aquests circulin per la línia DC, s'han de dissenyar filtres d'harmònics. Generalment aquests filtres estan composats per dos rames RLC en paral·lel i cada rama sintonitzada al harmònic corresponent, o bé filtres doblement sintonitzats. Tanmateix el disseny dels filtres solen ser molt pareguts als filtres en AC. [4] Per exemple el filtre sintonitzat per un harmònic individual seria [8]: Figura 26. Filtre individualment sintonitzat. [9] ( 26 ) ( 27 ) ( 28 ) és el factor de qualitat que mesura el grau de precisió ( 29 ) I com a exemple de filtre doblement sintonitzat tenim: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 36 Figura 27. Filtre doblement sintonitzat. [9] 2.4. Transformadors de conversió La funció dels transformadors de conversió és transformar la tensió AC de les línies de la xarxa, a una altra tensió AC adequada per als convertidors. Generalment, es fan servir transformadors trifàsics connectats en Y-Y (estrella - estrella) o Y-∆ (estrella - triangle), encara que també es fan servir transformadors monofàsics. Com de vegades, la tensió de la xarxa pot variar, els transformadors convertidors disposen de diferents preses per a adaptar-se a la tensió variable i produir una tensió de sortida constant per al convertidor. Si considerem un corrent allisat per el inductor de línia i menyspreem el desfasament μ durant la commutació, el corrent altern de línia que va al transformador convertidor és [4]: ( 30 ) El valor eficaç (RMS) de decreix en relació al valor quan augmenta el desfasament μ. Tanmateix, es sol obviar aquest efecte. Pel que fa a la tensió de línia alterna (línia - línia) que va al transformador és d'un valor: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 37 O en termes de tensió de fase alterna (línia - neutre): D'aquesta manera, la potència total aparent del transformador convertidor seria: ( 31 ) Aquests transformadors convertidors estan dissenyats per a suportar el escalfament degut als harmònics, a la magnetització del nucli per corrents continues i altres efectes negatius. Com a conseqüència, aquests transformadors solen ser de grans dimensions i de formes diferents als típics que coneixem en la HVAC. Figura 28. Transformador monofàsic de Siemens utilitzat en el sistema HVDC per unir Australia amb l'illa de Tasmània. [10] 2.5. Fonts de potència reactiva Els convertidors també consumeixen potència reactiva que ha de ser subministrada per la xarxa de AC o bé per fonts de potencia reactiva instal·lades localment. En condicions de règim permanent, la potència reactiva absorbida és de l'ordre del 50 % de la potència activa transmesa. I en condicions transitòries el consum de reactiva pot ser molt major. Per aquest, motiu, és necessari instal·lar fonts de potència reactiva a prop dels convertidors. Depenent de les característiques de la instal·lació HVDC i de la xarxa elèctrica en AC, es fan servir diferents tipus de fonts de reactiva; tals com condensadors en paral·lel, condensadors síncrons o condensadors estàtics variables ( Static Var Compensators). Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 38 Figura 29. Banc de condensadors de 75 MVar a 150 kV. [11] 2.6. Filtres d'harmònics en AC Els filtres en el costat AC també s'encarreguen d'absorbir els harmònics generats per els convertidors. Ja que depenent el tipus de convertidor i la connexió amb el transformador convertidor ( Y - estrella, ∆ - triangle) es generen diferents ordres d'harmònics [4]. Per exemple, els convertidors de 6 polsos generen harmònics d'ordre 6n ± 1, essent n el ordre d'harmònic, mentre que els convertidors de 12 polsos generen harmònics d'ordre 12n ± 1. Figura 30. Corrents harmòniques per a un convertidor de 6 polsos. [5] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 39 Figura 31. Corrents harmòniques per a un convertidor de 12 polsos. [5] El corrent altern es pot expressar com a una sèrie de Fourier [5] , sent les equacions fonamentals: ( 32 ) ( 33 ) ( 34 ) ( 35 ) On ω és la freqüència fonamental en rad/s, σ és un angle de referència, F(ωt) és la funció que en el nostre cas seria el valor del corrent altern, i finalment A0 , An i Bn són els coeficients de Fourier. Per a un convertidor de 6 polsos i una connexió Y-Y del transformador convertidor, la sèrie de Fourier per el corrent altern quedaria: ( 36 ) Mentre que per a un convertidor de 6 polsos i una connexió Y-∆ del transformador, la sèrie de Fourier per al corrent altern seria: ( 37 ) Si en canvi es fa servir un convertidor de 12 polsos, que és la unió de dos convertidors de 6 polsos, un connectat amb Y-Y i l'altre connectat amb Y-∆, la sèrie de Fourier per al corrent altern resultaria: ( 38 ) Per evitar interferències en telecomunicacions o sobreescalfaments en condensadors, o generadors del voltant, s'han d'instal·lar aquests filtres en AC per atenuar aquests corrents harmònics. Els filtres es connecten en Y (estrella) i el neutre a terra. Consisteixen en un conjunt Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 40 de circuits RLC ressonants en sèrie i sintonitzats per a cada harmònic respectivament. La impedància a la freqüència de ressonància ha de tenir una resistència petita per a poder curtcircuitar el harmònic, resultant l'equació: ( 39 ) Generalment, per estalviar costs, es fan servir dos circuits RLC ressonants en sèrie sintonitzats per a eliminar els harmònics de major pes i desprès un filtre passa alta per atenuar la resta d'harmònics d'alta freqüència. Figura 32. Exemple de filtre per a un convertidor de 12 polsos, amb dues rames sintonitzades per eliminar el 11è i el 13è harmònic i un filtre passa alta. A la freqüència nominal de xarxa (50 o 60 Hz), aquests circuits RLC dels filtres són de caràcter capacitius, de manera que també proporcionen part de la potència reactiva absorbida per els convertidors. [4] 2.7. Línies DC Per a transmetre la potència en DC es requereixen línies de transport, que poden ser línies aèries o bé per cables subterranis/submarins. 2.7.1. Línies aèries Les línies aèries d'un sistema HVDC presenten alguns avantatges respecte a les aèries en HVAC. El principal és la grandària de les torres que suporten les línies. I es que les distàncies entre les línies és menor, en HVDC són 2 línies mentre que en HVAC són 3, perquè en AC la distancia depèn de la tensió entre les fases i en DC depèn de la tensió entre fase i el terra. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 41 Per contra, els aïlladors dels circuits HVDC són més grans i han de ser de major qualitat, ja que poden acumular més residus a la seva superfície degut al sentit unidireccional del corrent. Figura 33. Diferència entre torres per transmetre una mateixa potència. [12] 2.7.2. Línies subterrànies o submarines Per a aplicacions que requereixen la transmissió per cable a llargues distàncies, existeixen diferents tipus de tecnologies disponibles en cables per al transport en DC [3], com per exemple:  Cable de paper impregnat (MI Mass Impregnated). Està format per un conductor central de coure laminat cobert per capes de paper impregnat en resines i olis. Seguit per unes capes de polietilè extruït i acer galvanitzat que el protegeix contra la corrosió i possibles deformacions mecàniques. Aquest tipus de cable està limitat per la temperatura, en canvi no té límit per a la longitud. Figura 34. Detall de cable MI.  Cable d'oli (OF Oil Filled). És un cable similar al MI, però utilitza un paper impregnat de menys densitat i té un conducte longitudinal per a fer circular oli refrigerant. Aquest tipus de cable està limitat per a una longitud de 100 km degut a la circulació del refrigerant, a més hi ha cert risc de fugues que el fa qüestionar mediambientalment. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 48 Les principals formes de generació o compensació de potència reactiva es fan mitjançant:  Compensadors síncrons (SC, synchronous compensators).  Compensadors estàtics var (SVC, static var compensators).  Bancs de condensadors en derivació (shunt capacitors banks).  Compensador estàtic (STATCOM, static compensator). 3.1. Compensador síncron (SC) Els compensadors síncrons SC són bàsicament motors síncrons que operen sense càrrega i que operen en sincronisme amb la xarxa a la qual estan connectats. La seva funció és absorbir la potència reactiva que hi ha en excés (quan funcionen amb sotaexcitació) o bé subministrar la potència reactiva necessària (mitjançant la sobreexcitació). [16] Aquests motors síncrons es connecten en diferents nodes o punts de les línies de transmissió per tal de regular la tensió o el flux de potència reactiva. Encara que tenen una gran capacitat de generació i regulació, són sistemes lents amb inèrcia que acaben resultant molt costosos degut a la seva instal·lació i el manteniment constant requerit. Figura 45. Compensador síncron sotaexcitat [16] Figura 46. Compensador síncron sobreexcitat. [16] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 49 3.2. Compensador estàtic var (SVC) Amb el desenvolupament de l'electrònica de potència s'han pogut dissenyar altres sistemes de control de potència reactiva com per exemple els TSC (thyristor switched capacitors) i els TCR (thyristor controlled reactors). Aquest tipus de compensació de reactiva es fa electrònicament mitjançant el control d'una sèrie de tiristors connectats de manera antiparal·lela que permeten la commutació dels condensadors o inductors. [16] Figura 47. Esquema d'un TCR i un TSC. Aquests sistemes SVC permeten un control escalonat de la potència reactiva, obtinguda per diferents grups de condensadors en el cas de TSC, o bé de inductàncies en cas de TCR. Tanmateix també existeixen combinacions entre TSC o TCR que permeten una major regulació de la potència reactiva a valors inductius o valors capacitius. Figura 48. Diferents combinacions entre TSC i TCR. [2] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 50 Els compensadors estàtics var es fan servir en xarxes elèctriques de alta tensió o fins i tot de molt alta tensió. Aquests sistemes solen ser relativament cars, que requereixen d'un control dels tiristors però que solen ser bastant ràpids pel que fa a temps d'actuació. Amb la combinació de TSC i TCR es pot obtenir una característica de la tensió en front la potència reactiva tal com es presenta a continuació: Figura 49. Característica tensió-reactiva d'un SVC. [2] 3.3. Banc de condensadors Degut a la capacitat que tenen els condensadors per emmagatzemar i entregar energia, es fan servir com a bancs per a la correcció del factor de potència o bé com dispositius estàtics per a la regulació de potència reactiva en tots els nivells de voltatge. Els principals paràmetres que caracteritzen un condensador són:  Capacitància nominal Cn : és el valor obtingut dels valors nominals de potència, tensió i freqüència del condensador.  Potència nominal Qn : és la potència reactiva nominal per la qual el condensador s'ha dissenyat.  Tensió nominal Un : és el valor RMS de la tensió alterna per la que s'ha dissenyat el condensador.  Freqüència nominal fn : la freqüència a la qual s'ha dissenyat el condensador. Els condensadors normalment es connecten a la xarxa trifàsica a la part del primari del transformador convertidor. I es poden connectar tant en estrella com en triangle. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 51 Corrent nominal (línia) Corrent en els condensadors Potència Reactiva 3.4. Compensador estàtic STATCOM Els compensadors estàtics STATCOM es fan servir de manera similar als compensadors estàtics SVC, amb la diferència de que treballen amb el principi de font de tensió (VSC). En el qual es fan servir la commutació de transistors IGBT (insulated gate bipolar transistors) amb una modulació per ample de polsos PWM. D'aquesta manera es controla la tensió i es pot injectar corrent capacitiva o bé inductiva, depenent la situació. [17] La instal·lació de STATCOM en diferents punts de la xarxa elèctrica permet augmentar la capacitat de transmissió de potència mitjançant el control de la tensió i reactiva, així com millorar la qualitat de la potència. Quedant la tensió en el punt d'instal·lació de la següent manera: Figura 50. Característica V-I i V-Q d'un STATCOM. [2] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 52 Els compensadors STATCOM tenen una capacitat de resposta molt ràpida, però degut a la tecnologia amb IGBT no tenen capacitat de treballar amb grans potències. Per aquest motiu aquests compensadors es fan servir més en els sistemes HVDC amb convertidors VSC. Figura 51. Esquema bàsic d'un STATCOM. [17] Figura 52. Instal·lació de STATCOMs de forma modular dins containers protegits. [18] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 53 4. Instal·lacions existents La transmissió de potència mitjançant corrent continu es fa servir per tot el món i amb diverses modalitats segons la necessitat a satisfer. Des de l'aparició dels primers convertidors d'arc de mercuri, als convertidors que fan servir tiristors fins als que convertidors amb transistors, s'han dissenyat diferents sistemes per a la transmissió en HVDC . A continuació es descriuran algunes instal·lacions que s'han construït durant els darrers anys: Figura 53. Evolució històrica de la tecnologia HVDC. [2]  Gotland. Va ser una de les primeres línies de transmissió en DC comercialment importants, instal·lada a Suècia l'any 1954. Va unir l'illa de Gotland, situat enmig del Mar Bàltic, amb el continent mitjançant un cable submarí de 96 km. Treballa a 100 kV i transmet una potència de 20 MW de manera monopolar. El corrent dirigit a terra retorna per el mar. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 54 Figura 54. Laboratori a Trollhättan on feien els tests dels tiristors d'arc de mercuri utilitzats a Gotland. [19]  Canal Anglès. L'any 1961 es va realitzar una connexió bipolar entre Anglaterra i França, mitjançant un enllaç submarí per el Canal Anglès. Amb una potència nominal de 160 MW. Els cables operen a ± 100 kV segons la direcció de la potència. Degut a la diferència horària, resultava econòmic l' intercanvi de potència, perquè els pics de consum no es donaven al mateix temps. Figura 55. Estació convertidora a Echinghen, França. [19]  Pacific Intertie. En 1970 es va instal·lar entre The Dalles, Oregon, i Los Ángeles, California, una connexió bipolar que treballa a ± 400 kV. La línia aèria transmet fins a 1440 MW a una distància de 1370 km. Segons els requeriments de cada regió, la Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 55 potència es transmet en una direcció o altra. Aquesta connexió en DC ajuda a estabilitzar el sistema trifàsic en AC que uneix les dues regions. Figura 56. Estació convertidora de Sylmar, Los Ángeles. [20]  Riu Eel. L'any 1972 es va construir una estació Back-to-Back en el riu Eel a Canadà, que unia els sistemes elèctrics del Quebec amb la Nova Brunswick, constituint un enllaç asíncron, que encara que els dos sistemes treballen a 60 Hz, per qüestions d'estabilitat no es podien connectar. La línia de transmissió en DC que uneix els rectificadors amb els inversors nomes és d'uns quants metres de llarg. Els cables treballen a ± 80 kV i la potència transmesa pot anar en ambdues direccions fins a 320 MW. Figura 57. Estació back-to-back al costat del riu Eel. [21]  Riu Nelson. Situat a 890 km al nord de Winnipeg, Canadà, l'any 1973 es varen construir dues línies bipolars que treballen a ± 450 kV i que transmeten 1620 MW de potència elèctrica generada pel riu Nelson. Es va realitzar mitjançant un sistema en HVDC, Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 56 perquè d'acord a uns estudis realitzats, era més econòmic transmetre la potència en DC que no pas en AC degut a la considerable distància. Figura 58. Estació inversora de Dorsey, al nord de Winnipeg. [22]  Ge-Nan. L'any 1989 es va construir el sistema HVDC de Gezhouba-Nan Qiao, transmet una potència de 1200 MW, des de la central hidroelèctrica de Gezhouba (situat a la China Central) fins a la estació inversora de Nan Qiao (a uns 40 km de Shangai). Amb un recorregut d'uns 1000 km treballa amb una connexió bipolar i tensió de ± 500 kV. Es fan servir convertidors amb grups de vàlvules de 12 polsos , els quals tenen tiristors commutats elèctricament d'uns 5,5 kV cada un. Figura 59. Diferents bancs de condensadors a la estació inversora de Nan Qiao [23]  Itaipú. És un dels sistemes HVDC amb línies aèries més grans del món. Dissenyat i construït per la companyia ABB, va començar a operar l'any 1984 amb el primer bipol i l'any 1990 amb el segon bipol. Aquest sistema té 4 pols on cada bipol transporta 3150 MW a una tensió de ±600 kV. Es va elegir aquest tipus de transmissió per dos raons principals, la primera per la gran distància (un bipol a 785 km i l'altre a 805 km) i la Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 57 segona, perquè l'energia es generava a una freqüència de 50 Hz a la zona de Paraguai de la central hidroelèctrica i la xarxa de Sao Paulo és de 60 Hz. Figura 60. Estació convertidora de Foz do Iguaçu, sistema HVDC Itaipú. [19]  Wien-Suedost. Aquest sistema HVDC va començar a operar el Juliol de 1993. Consistia en una connexió Back-to-back que unia la xarxa austríaca UCPTE amb la xarxa de Hongria RGW. Amb una capacitat de potència de 600 MW i cables amb tensions de ± 145 kV. Les vàlvules es van dissenyar amb un sistema modular i refrigerat per aigua. El rectificador i inversors treballaven amb una modulació a 12 polsos, situats dins un edifici juntament amb els transformadors convertidors i els inductors de línia. Figura 61. Interior del edifici amb els diferents mòduls de vàlvules refrigerades. [23] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 64 Inversió de potència En la majoria dels sistemes HVDC cada convertidor pot funcionar com rectificador tant com a inversor, d'aquesta manera la potència pot fluir en una direcció o una altra depenent la polaritat dels conductors. Llavors el gràfic tensió-corrent per als convertidors queda: Figura 68. Gràfic tensió-corrent amb la doble funcionalitat dels convertidors. Com es pot apreciar a la Figura 68 cada convertidor pot funcionar com a rectificador o bé com a inversor. Cada recta mostrada de cada convertidor pertany als diferents modes de control: control del angle d'activació constant (CIA), control de corrent constant (CC) o el control d'angle d'extinció constant (CEA). El punt de funcionament E1 representa que la potència transmesa va des del convertidor 1 fins al convertidor 2. Mentre que en el punt de funcionament E2 la potència transmesa va en sentit contrari, o sigui del convertidor 2 al convertidor 1. La inversió de potència es realitza canviant el valor de les consignes de corrent, és a dir, que la consigna de corrent del convertidor 2 superi la consigna de corrent del convertidor 1, sempre mantenint el marge de corrent Im . D'aquesta manera canvia la polaritat de la tensió i s'aconsegueix que la potència vagi del convertidor 2 cap al convertidor 1. 5.2. Controls secundaris d'un sistema HVDC Tanmateix hi ha altres controls, apart dels controls principals mencionats en el punt 5.1, que ajuden a millorar la interacció entre els sistemes de alterna amb el sistema HVDC. Dels quals destaquen: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 65  Control de tensió DC constant. Aquest tipus de control seria una variant del control CEA de l'inversor. Consisteix en un control de llaç tancat per mantenir la tensió constant en un punt desitjat de la línia DC, en compte de regular a un valor fix l'angle d'extinció γ. És a dir, treballa amb estimacions de les caigudes de tensió en la línia. Amb aquest tipus de control s'evita en gran part les falles de commutació, ja que manté un angle γ elevat (al voltant de 18°), i després regula la tensió en funció de les caigudes de tensió en la línia. [4] Figura 69. Control de tensió constant DC.  Control β. Aquest tipus de control és complementari al control CEA, ja que no s'utilitza en funcionament nominal o règim permanent, sinó que es fa servir durant els règims transitoris. Amb el control β s'obté una major seguretat davant possibles falles de commutació. Tenim que β = γ + μ , essent γ l'angle d'extinció i μ l'angle de commutació. Veiem en el gràfic Vd -Id que la pendent és positiva per tal d'evitar durant baixades de tensió els errors de commutació: Figura 70. Control Beta (β) de tensió.  Control de canvi de tomes. Aquest control fa servir el canvi de tomes dels transformadors convertidors per tal de mantenir els angles de dispar dels convertidors dintre d'un determinat marge. És a dir, per al rectificador modifica l'angle α per a un marge entre 10° i 20°. Mentre que per al inversor, s'encarrega de mantenir l'angle γ dins d'un marge de 15° a 20°. Aquest control sol ser lent comparat amb la resta de controls, del ordre de 5 a 6 segons per toma. Per aquest motiu es fa servir durant el règim permanent per atendre variacions de tensió o de flux de potència. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 66 Per a la seguritat dels equips i el correcte funcionament del sistema, es fan servir altres controls que limiten els corrents en casos de mal funcionament o falles. Com per exemple:  Limitadors de corrent màxima. Normalment es limita el corrent fins a un valor màxim de 1,2 o 1,3 vegades el corrent nominal, per tal d'evitar danys tèrmics en els tiristors.  Limitadors de corrent mínima. Per a evitar que ,durant els valors baixos de corrent, es produeixin formes d'ones discontínues o intermitents, així com falls de commutació i possibles fatigues en els tiristors, es posen uns limitadors de corrent mínima.  Limitador d'angle de dispar mínim. Es fa servir per quan els senyals de comunicació entre subestacions fallen o bé durant un curtcircuit en la línia DC. Com les consignes de corrent i de marge de corrent controlen la transferència de potència, s'ha d'evitar durant les falles comentades que l'inversor puga canviar a mode rectificador i suposi una inversió de potència. Per aquest motiu, l'inversor té un limitador d'angle α mínim que permet restringir l'angle γ del inversor a uns valors superiors de 90° (normalment entre 95° i 110°). [4]  Limitadors de corrent en funció de la tensió (VDCOL, "Voltage-dependent current order"). D'acord a evitar un augment de consum de la potència reactiva, errors de commutació o inestabilitats en la tensió, tots deguts a causa d'una caiguda de tensió o sota valors reduïts de tensió; es fa servir un control VDCOL, el qual limita el valor del corrent quan es produeix una determinada caiguda de tensió. El control VDCOL es pot realitzar en funció de la tensió alterna o bé la tensió contínua: Figura 71. Limitador de corrent en funció de la tensió alterna. Figura 72. Limitador de corrent en funció de la tensió contínua. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 67 Figura 73. Gràfic tensió-corrent amb control VDCOL, límit de corrent mínim i límit d'angle de dispar mínim. 5.3. Aplicació del control A continuació es mostrarà els elements principals per al control d'un sistema HVDC monopolar: Figura 74. Esquema de control bàsic. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 68 La jerarquia del control d'un sistema HVDC a un altre pot variar. Però generalment, es pot resumir en l'esquema mostrat en la Figura 75 que representa els diferents sistemes de control per a una connexió bipolar. Aquest esquema es divideix principalment en: control del pont o del convertidor, control del pol, control central i el control global del sistema. Figura 75. Jerarquia dels diferents sistemes de control HVDC. El control del pont o del convertidor, s'encarrega de determinar els angles de dispar de les vàlvules (conjunt de tiristors en sèrie) que formen un pont. És a dir, defineixen els angles α i γ amb els seus límits corresponents. Comparat amb la resta de controls, aquest és el que respon més ràpid dins el sistema. El control del pol fa la funció de coordinar els controls dels ponts amb el pol. Transforma les consignes de corrent en consignes d'angle de dispar, també s'encarrega del control de canvi de tomes del transformador convertidor, així com altres controls de protecció del pol. Coordina la posada en marxa, el desbloqueig i equilibraments del control dels ponts. El control central determina les consignes de corrent i s'encarrega de enviar els diferents senyals de corrent cap als pols del sistema. I finalment, el control global del sistema fa la funció de visualitzar els diferents controls del sistema HVDC per controlar que tots els enllaços de comunicació funcionin correctament, així com el control de la potència transmesa per mitjà de les diferents senyals i consignes de corrent. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 69 6. Proteccions Les proteccions es fan servir per prevenir que els equips i els components es puguin avariar en les situacions de falles. Algunes proteccions també han d'intentar minimitzar les interferències degudes a pertorbacions temporals. Així com en casos de falla, emetre indicacions per tal de localitzar i facilitar la resolució de la falla. Segons la localització de les proteccions, podem classificar-les segons la zona on s'instal·len, com la part alterna del sistema o la part contínua. 6.1. Proteccions en el costat DC Normalment per a la transmissió en HVDC les proteccions del costat de contínua es solen dissenyar específicament i solen ser molt més cares que no les proteccions en alterna. Les proteccions que destaquen són: [5] 1. Protecció de curtcircuits. S'encarrega de detectar els curtcircuits i enviar un senyal per avaluar la situació i controlar-la. Normalment cada convertidor té una protecció d'aquest tipus. Per detectar un curtcircuit es comparen els corrents AC amb els corrents DC, i si els corrents alterns són majors que no pas els corrents continus es dispara. 2. Protecció de sobrecorrents. Es fa servir per detectar sobrecorrents que poden sobreesforçar les vàlvules o que no es poden detectar amb la protecció de curtcircuits. Fa servir una corba de intensitat - temps juntament amb una recta de dispar instantani que té una banda de sensibilitat programada per a la major corrent DC acceptada. 3. Protecció de falla de commutació. Té com objectiu detectar les falles de commutació, per a detectar-ho, es comparen els corrents AC amb el corrent DC, i si hi ha un excés de corrent DC la protecció detecta una possible falla de commutació. 4. Protecció d'harmònics DC. Serveix com a suport de la protecció de falla de commutació. El corrent DC és filtrat per a minimitzar harmònics, però quan hi ha alguna presència de una component fonamental AC o segon harmònic, la protecció salta. 5. Protecció de sobre-esforços de vàlvules. Té la funció de detectar tensions alternes massa grans entre el transformador convertidor i les vàlvules. Això es realitza mesurant la tensió AC a la sortida del transformador convertidor i es compara amb una senyal de referència que indicarà si la tensió és admissible o no. 6. Protecció de retards excessius en els angles de dispar. Com indica el nom, té l'objectiu de detectar retardaments massa grans en els angles α i γ dels convertidors. 7. Protecció de falla a terra en costat DC. Es fa servir per detectar falles a terra en la part contínua del convertidor. Per detectar-la es mesura el corrent DC i si hi ha una diferència de corrent entre una part del convertidor i una altre, la protecció dóna un senyal. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 70 8. Protecció de sobretensions DC. Té la funció de detectar sobretensions en la línia DC, es detecta comparant els valors de la tensió de línia DC i el corrent de línia DC quan hi ha una sobretensió i un valor de corrent menor que la consigna de corrent. 9. Protecció de tensió DC mínima. Té l'objectiu de detectar caigudes de tensió contínua elevades. I es detecta quan la tensió DC mesurada té un valor molt reduït. 10. Protecció de la línia DC. Es fa servir per detectar falles a terra en la línia DC. Aquesta protecció nomes s'instal·la en la estació rectificadora. Per a la detecció de la falla a terra es mesura la tensió de línia amb un divisor de tensió i la falla es detecta quan la caiguda de tensió és major que un cert valor. 11. Protecció de la línia que uneix els elèctrodes. Fa la funció de protegir la línia neutral que uneix els elèctrodes de les estacions convertidores contra sobretensions. El receptor de llamps, que es fa servir per reduir sobretensions, es comprova si transporta corrent o no, i en el cas de que condueix un corrent superior al nivell establert es detecta la falla. 6.2. Proteccions en el costat AC Les proteccions que es fan servir per la part alterna del sistema HVDC, solen ser proteccions convencionals per protegir els transformadors convertidors i altres proteccions més especialment dissenyades per als filtres AC i els bancs de condensadors. [5] 1. Protecció diferencial del transformador. Té la funció de detectar falles internes en el transformador convertidor. Les falles es detecten quan es comparen els corrents de les fases del transformador amb els corrents de les vàlvules i hi ha un desequilibri entre les fases. 2. Protecció de sobrecorrents AC. Serveix com a suport de la protecció diferencial del transformador. Els corrents de les fases es mesuren a la sortida del transformador convertidor i la falla es detecta quan hi ha qualsevol sobrecorrent en les fases. 3. Protecció de sobrecàrrega en filtres AC. Té l'objectiu de detectar corrents harmònics massa alts. Es mesuren la component fonamental i els corrents harmònics en les branques dels filtres, i es detecta quan els harmònics tenen un valor més elevat del establert. 4. Protecció del banc de condensadors. Es fa servir per detectar condensadors que no funcionen bé. Es detecta la falla quan una branca dels condensadors no compensa el mateix que una altra branca que hi ha en paral·lel, es realitza comparant els corrents de cada branca de condensadors en derivació. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 71 7. Falles El funcionament de la transmissió per HVDC resulta, de vegades, afectada per falles a la línia DC, als convertidors, o bé en el sistema AC. La majoria de falles provocades en el sistema DC són autoextingides o eliminades mitjançant el control dels convertidors. Mentre que en els sistemes AC, els interruptors són els encarregats de detectar i eliminar les falles. Per tant, els controls dels convertidors realitzen un paper molt important en els sistemes HVDC davant falles en la part DC com en els sistemes en AC. 7.1. Falles en les línies DC Gairebé sempre, les falles en les línies DC són falles de pol conductor a terra. És molt poc comú que es doni una falla entre dos pols conductors, ja que es requeririen esforços molt grans per ajuntar els dos pols. Tanmateix, una falla per un llamp mai causaria una falla bipolar. Quan es causa una falla del conductor a terra, la potència transmesa es bloqueja en aquell pol. Però la potència pot seguir transmetin-se en l'altre pol, en cas de una línia bipolar. Així mateix, una falla en una línia DC no té un impacte tan gran com les falles en els sistemes AC. Resposta d'una acció de control normal Durant un curtcircuit, el corrent del rectificador augmenta (el rectificador alimenta la falla de baixa impedància) i el corrent del inversor disminueix. El control de corrent del rectificador actua de manera que redueix la tensió DC per tornar el corrent al seu valor de referència (Iref). En el inversor, el corrent es fa més petit que el seu ajust del controlador de corrent (Iref - Im), passant així, de un control CEA a un control CC. Això fa que la tensió del inversor baixi fins cero i desprès canvia de polaritat (Figura 76). Les tensions són iguals a les caigudes de tensió (R·I) des de la línia de cada convertidor fins a la falla. El corrent del rectificador serà Iref i el corrent del inversor serà Iref - Im en la direcció oposada, per tant el corrent en règim permanent serà igual a el corrent de marge Im , què és del ordre del 15 % del corrent de línia. Figura 76. Perfil de tensió en línia DC. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 72 Protecció de línia d'acció ràpida Durant l'acció de control normal es limita el corrent de curtcircuit a Im , però no extingeix l'arc produït. Per aquesta raó, es fa servir un control addicional per reduir el corrent de curtcircuit i eliminar l'arc travessant la falla per tensió cero. La falla es detecta quan hi ha una caiguda de tensió DC brusca al rectificador i quan hi ha una baixada de corrent en el inversor. Les falles en la part del sistema AC no produeixen uns canvis de tensió tan ràpides com les falles en DC. Per eliminar la falla, el inversor es manté en mode inversor i el rectificador, en canvi, passa a mode inversor també. El angle β del inversor es posa al seu límit de 80° (permetent que la tensió del inversor disminueixi a valors baixos però no a l'inrevés) i l'angle de dispar del rectificador α es desplaça més enllà dels 90°, cap als 140°. Així el corrent del rectificador no pot canviar de direcció degut a les característiques unidireccionals dels tiristors i es forçat a reduïrse fins cero ràpidament (al voltant de 10 ms). Aquest tipus de eliminació de falla s'anomena ''Retard forçat'' . [4] En les línies aèries DC es reenganxen desprès de la desionització del aire al voltant de l'arc elèctric (60 a 200 ms). Normalment, el temps total d'eliminació de la falla i el retorn de funcionament és d'un ordre de 200 a 300 ms. Aquest ordre és major per a connexions DC en sistemes AC dèbils. Els reenganxaments automàtics no es realitzen en els sistemes cablejats, ja que una falla en un cable gairebé sempre és una falla permanent. 7.2. Falles en convertidors La majoria de falles en les estacions convertidores provoca la desconnexió d'un pol sencer o bé un conjunt de vàlvules. Gairebé sempre que falla un grup de vàlvules, a no ser que sigui una causa menor, requereix la desconnexió del pol i la seva transmissió de potència. En aquests casos, s'ordena que el corrent disminueixi a cero molt ràpidament, canviant l'angle de dispar del rectificador a 90° o superior, i així fer-lo treballar en mode inversor. D'aquesta manera el corrent pot arribar a cero en menys de 30 ms. Quan s'ha extingit el corrent, s'aïlla el grup de vàlvules danyades, i es reemplaça per un altre grup de vàlvules de recanvi. Aquesta acció pot tardar uns quants segons depenent la situació. Una vegada reemplaçades, el pol es pot connectar de manera normal una altra vegada. 7.3. Falles en el sistema AC Per a pertorbacions en la xarxa de AC, la resposta del sistema DC és generalment més ràpida que no pas la del sistema en AC. Durant les pertorbacions, el sistema en DC redueix la potència Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 73 o bé es desconnecta fins que el sistema AC s'ha recuperat. D'aquesta manera, les falles en AC representen un aspecte important de la operació i control del sistema en DC. Falles en la part alterna del rectificador Per a un curtcircuit trifàsic, la tensió de commutació del rectificador disminueix , resultant una disminució de la tensió de línia DC com el corrent de línia DC. El controlador de corrent ordena una reducció del angle α per a recuperar el corrent i incrementar la tensió. Si l'angle α arriba al seu límit inferior αmin , el rectificador passa a mode de control CIA. En el qual, s'ordena al inversor a funcionar en control de corrent i passa a treballar amb corrents petits del ordre de Im . Si la tensió es manté en valors baixos, el sistema DC passa a treballar en control VDCOL fins que la falla sigui eliminada. Moltes vegades, si el inversor opera en control de corrent amb baixes tensions, el consum de reactiva augmenta molt, perjudicant encara més a la recuperació del sistema en AC. En aquests casos és millor desconnectar la línia DC. Per a curtcircuits monofàsics o bifàsics no es sol desconnectar la línia DC, ja que el valor eficaç de les tensions alternes és major que no pas durant un curtcircuit trifàsic. En aquests casos el sistema absorbeix la falla gairebé sense cap efecte notable. Però si la caiguda de tensió és significativa, llavors s'actuarà de manera similar per a curtcircuits trifàsics. Per a falles amb desequilibris de tensió, la quantitat d'harmònics en la línia DC pot ser major del normal. Produint així harmònics de segona component, els quals no es poden eliminar per els filtres DC ni per l'inductor de línia. Aquest alt rissat de corrent podria resultar amb una eliminació del corrent de línia. Depenent del tipus de sistema de tiristors, es pot requerir la desconnexió del sistema DC. Falles en la part alterna del inversor Per a curtcircuits trifàsics que provoquen una caiguda de tensió en el inversor, provoquen un augment del corrent DC. Els controls CC del rectificador i CEA del inversor actuen davant les pertorbacions. Si la caiguda de tensió és significativa (10% o 15%), provocarà falls de commutació temporals, abans de qualsevol acció de control. Obtenint un consum de reactiva no desitjat. Es tarda del ordre de 1 o 2 períodes per eliminar els falls de commutació. En cas de caigudes de tensió extremes, no es poden evitar els falls de commutació. Obligant d'aquesta manera a bloquejar les vàlvules fins que el sistema AC es recupera. Per a falles de tensió desequilibrada, es poden donar errors de commutació, en part per els canvis de fase durant el creuament entre tensions. Si es donen grans desequilibris, es requerirà bloquejar les vàlvules de tiristors i desprès tornar a posar-los en marxa. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 80 Figura 79. Corba de demanda 13/08/2014 proporcionada per REE. [29] 2. Dades de Partida La connexió entre Mallorca-Eivissa es farà mitjançant un sistema HVDC amb convertidors LCC. Es tractarà d'una configuració punt a punt on les estacions convertidores es situarien, a Santa Ponça en Mallorca (aprofitant la existent estació HVDC que uneix Mallorca amb la Península) i una futura estació anomenada Torrent en Eivissa. La distància entre les dues estacions convertidores és de 126 km i tot el traçat dels cables serà soterrat, fins a una profunditat màxima de 800 m. Del qual hi haurà un tram submarí de 118 km i dos trams terrestres; un de 3 km del punt d'entrada de l'enllaç en la Badia de Santa Ponça fins la subestació de Santa Ponça (Mallorca) i l'altre de 5 km des del punt d'entrada de la connexió en Sa Punta de Talamanca fins a la subestació de Torrent (Eivissa). L'enllaç entre les dues estacions convertidores es realitzarà amb una connexió bipolar. Ja que així s'obté una major capacitat de transmissió de potència. En cas de manteniment o falla en algun pol, l'altre pot seguir operant de manera monopolar. Així com la capacitat de revertir la direcció del flux de potència. Tanmateix, es farà servir un retorn metàl·lic per garantir la operativitat en cas de falla o manteniment. La potència de la interconnexió serà de 200 MW, és a dir, 2 x 100 MW per l'enllaç bipolar. El sistema HVDC Mallorca-Eivissa pretén reforçar la xarxa elèctrica del subsistema elèctric de les illes, per el que no proporcionarà tota la potència que hi ha instal·lada. Tanmateix la demanda elèctrica d'Eivissa i Formentera sol estar entre 100 MW i 215 MW, per lo que la interconnexió pot proporcionar la major part de la demanda elèctrica d'Eivissa i Formentera. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 81 Figura 80. Línies elèctriques propietat de REE. [30] Les tensions nominals en alta tensió AC que es fan servir a la xarxa elèctrica de les Illes Balears són entre 66 kV i 220 kV, com podem veure en la Figura 80 . Per a poder transmetre una potència de 200 MW la tensió alterna escollida serà: *Considerant el factor de potència unitari: a 66 kV : a 132 kV : Descartem les tensions inferiors a 66 kV per l'elevat corrent que haurien de conduir, i conseqüentment l'elevada secció que suposaria en els conductors. I també descartem les tensions superiors a 132 kV, ja que suposaria un increment en la grandària de les torres, aïlladors més grans, distàncies entre conductors més elevades, etc. Per tant la tensió alterna escollida és de 132 kV. Pel que fa a la tensió de línia DC sense càrrega, la podem calcular de manera aproximada com: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 82 Com la tensió de línia DC en càrrega depèn de l'angle de dispar i de les caigudes de tensió, el valor és menor que , solent valer el 85 % de . Per tant la tensió DC en càrrega queda: Dades generals: Sistema de corrent: corrent continu, sistema HVDC Tipus de circuit: configuració Punt a Punt, enllaç bipolar amb retorn metàl·lic Potència de transport: 200 MW (2 x 100 MW) Tensió nominal DC: ± 150 kV Tensió nominal AC: 132 kV Mallorca, 66 kV Eivissa Longitud total de la connexió: 126 km Tram subterrani: 3 km (Santa Ponça) Tram submarí: 118 km Tram subterrani: 5 km (Torrent) Nombre de cables: 2 cables de potencia, 1 cable de retorn metàl·lic Figura 81. Esquema bàsic unifilar del sistema HVDC Mallorca-Eivissa. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 83 3. Convertidors Els convertidors usats en aquesta connexió bipolar entre Mallorca-Eivissa, seran ponts convertidors amb modulació a 12 polsos. Ja que proporciona una millor forma d'ona i redueix els harmònics produïts. I la tecnologia usada serà LCC, mitjançant tiristors. Al tractar-se d'una connexió bipolar, cada pol transmetrà la meitat de la potència del sistema (200 MW). És a dir, 100 MW per pol. Sabent que la tensió de línia DC és de ± 150 kV depenent si és pol positiu o el negatiu, el corrent nominal de línia DC és de: Pel que fa als angles de dispar dels convertidors, es faran servir els següents valors nominals: Rectificador: Inversor: - Alfa mínima: - Gamma mínima: - Alfa nominal: - Gamma nominal: Els convertidors estaran constituïts per diferents parts, explicats a continuació: Tiristors: Els tiristors utilitzats en aquest sistema HVDC seran del tipus LCC i amb dispar mitjançant senyals òptiques LTT (Light Triggered Thyristor). Ja que són més adequats per a les aplicacions d'alta tensió com en HVDC. Tenen com a avantatge la eliminació de sistemes electrònics per adaptar les baixes tensions requerides per a l'activació del tiristor, així com la insensibilitat davant senyals elèctrics que podrien causar falles de commutació en ambients amb pertorbacions. Figura 82. Tiristor LTT amb cable de fibra òptica. [31] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 84 De característiques tècniques: [31] - Fabricant: Infineon Technologies Bipolar - Model: T4003N52TOH PR - Tensió de bloqueig: 5,2 kV - Corrent nominal mig: 3,4 kA - Corrent nominal de supressió: 100 kA - Temperatura màxima funcionament: 85°C - Diàmetre total: 172 mm - Diàmetre contacte: 115 mm - Altura: 40 mm - Pes: 4 kg Agrupació dels tiristors: Els tiristors es connectaran en sèrie entre ells per tal d'arribar a la tensió nominal de 150 kV, més un marge de seguretat del 20 % i un tiristor redundant en cas de fallada d'algun tiristor: Aquests tiristors aniran muntats en diferents mòduls, els quals formaran una torre de vàlvula quàdruple. Cada torre de vàlvula quàdruple estarà formada per: 6 mòduls, els quals contenen 6 tiristors cada mòdul. Tenint així 36 tiristors en total per cada vàlvula quàdruple. Com què una vàlvula quàdruple té 4 vàlvules, hi haurà 9 tiristors per cada vàlvula. Figura 83. Mòdul de tiristors LTT usat per a HVDC, del fabricant Siemens. [32] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 85 Al tractar-se d'un convertidor de 12 polsos, aquest estarà constituït per 3 torres formant una vàlvula quàdruple cada torre. Les quals aniran suspeses del sostre de la sala convertidora com podrem apreciar en la següent figura: Figura 84. Convertidor de 12 polsos amb les 3 torres de vàlvules quàdruples. [33] Resum components del convertidor: Tipus de convertidor Pont de 12 polsos Tipus de tiristor LTT de tensió 5,2 kV Nº torres vàlvula quàdruple 3 Nº tiristors per vàlvula quàdruple 36 Nº mòduls per vàlvula quàdruple 6 Nº tiristors per mòdul 6 Nº tiristors per vàlvula 9 Nº tiristors per convertidor 108 Figura 85. Diagrama esquemàtic d'un convertidor de 12 polsos. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 86 Inductor allisador de línia DC: El valor del inductor allisador ,que es connectarà a la part de la línia contínua desprès del convertidor, el calcularem com s'ha explicat en l'apartat 2.2 del capítol 1. El valor recomanat per al disseny es recomanat ser de [5], per tant tindrem: Aquest inductor serà del tipus amb aïllament per aire i estarà dimensionat per treballar a 150 kV , de corrent 1000 A (capaç de suportar corrents superiors a la nominal), juntament amb el valor de inductància de 0,1125 H calculat anteriorment. Figura 86. Imatge d'un inductor allisador amb aïllament per aire. [14] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 87 4. Transformadors convertidors Els convertidors de 12 polsos es connecten a dos transformadors cada un, com es pot veure en la Figura 81. Un connectat en Y-Y i l'altre en Y-∆ , desfasats entre ells 30°. Ambdós tindran la mateixa potència juntament amb la mateixa relació de transformació. La tensió en que treballaran els transformadors serà de 132/66 kV a Mallorca i 66/66 kV a Eivissa. Per determinar el valor de la potència d'aquests transformadors sabem que: Tensions de línia: 132 kV en primari, 66 kV secundari Intensitat de línia secundari: Potència nominal: La inductància paràsita LS del transformador, que afectarà al convertidor com a reactància de commutació XC , sol estar entre 0.1 < XC < 0.15 per unitat de la impedància del transformador expressada en (VL)2 / Sn Ohms. [34] En el nostre cas triarem un valor de XC = 0.125 per unitat de ZT . Figura 87. Imatge de dos transformadors convertidors trifàsics. [35] Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 88 5. Cables La línia DC que uneix les dues estacions convertidores Santa Ponça amb Torrent, estarà formada per dos cables de potència (2 x 100 MW) i un cable de retorn metàl·lic. Per als trams submarins s'usaran cables d'una secció diferent que per als trams soterranis. Es faran servir cables XLPE (Cross-Linked Poliethylene) als 3 cables, per els següents motius:  Es possible treballar amb una major temperatura per al conductor, resultant un cable més compacte que altres per a una mateixa potència donada.  Es poden fer servir aïllaments contra la humitat més lleugers, reduint així el pes total del cable.  Els empalmes entre cables extruïts XLPE són més simples que entre altres cables, i la utilització de tecnologia XLPE és més respectuosa amb el medi ambient pel fet d'evitar cables que utilitzen olis que podrien suposar algun vessament a llarg termini. 5.1. Cables de potència (pols) Cada pol tindrà les següents característiques, segons el seu recorregut de la línia: Tram submarí: Considerant en el sòl marí una resistivitat tèrmica de 1,0 K x W/m, els detalls del cable XLPE usat com a pol són: [36] - Recorregut: 118 km - Tensió nominal: 150 kV - Intensitat màxima: 765 A - Secció conductor: 400 mm2 Cu - Pes cable: 16 kg/m - Diàmetre exterior: 75 mm - Densitat de corrent màxima: 1,912 A/mm2 Tram soterrani: Canviant les condicions a un sòl terrestre d'una resistivitat tèrmica de 1,2 K x W/m, les característiques del pol queden: [36] - Recorregut: 8 km (3 km Santa Ponça i 5 km Torrent) - Tensió nominal: 150 kV - Intensitat màxima: 722 A - Secció conductor: 500 mm2 Cu - Pes cable: 18 kg/m - Diàmetre exterior: 78 mm - Densitat de corrent màxima: 1,444 A/mm2 Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 89 Sabent que la resistivitat ρ del coure a 20° és de 0,01724 Ω·mm2/m (Norma UNE 20003), la resistència dels cables serà de: [37] Submarí: Soterrani: Total del pol: Considerant una temperatura màxima de funcionament per als cables XLPE de 90°C, la resistència total que ofereix el pol és de: Pel que fa a la capacitat dels cables la calcularem de manera que [37]: Essent la permitivitat relativa del material aïllant, en el nostre cas XLPE d'un valor de 4,5. és el radi exterior del cable i el radi del conductor. Submarí: Soterrani: Total del pol: Per tant, la línia DC que va des de l'estació de Santa Ponça fins a l'estació de Torrent, presenta una resistència de 6,826 Ω i una capacitat de 26,33 μF. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 96 Figura 91. Diagrama de Bode de la impedància del filtre per al 13è harmònic. Filtre passa alta: Factor de qualitat: Potència reactiva fase disseny: Tensió de fase: El filtre passa alta estarà format per un condensador i una inductància en paral·lel amb una resistència. Els valors dels quals seran: El factor de qualitat per a un filtre passa alta varia entre 0,5 - 2, segons la precisió desitjada, i es pot trobar de la següent manera: Essent la impedància característica: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 97 Per tant per a un factor de qualitat 2, el valor de la resistència en paral·lel és: A la freqüència nominal de 50 Hz, el valor de la impedància del filtre passa alta consumeix: És a dir, estan dissenyats per a: Tensió de fase: Corrent nominal: Potència reactiva fase: Potència activa fase: Figura 92. Diagrama de Bode de la impedància del filtre passa alta. De manera que per cada fase tindrem el conjunt de filtres en AC com mostrat en la següent figura: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 98 Figura 93. Filtres de la part AC de Mallorca. Finalment, dir que aquests filtres estan connectats en Y amb el neutre a terra i a la freqüència nominal de 50 Hz, es comporten de manera capacitiva aportant la següent potència reactiva: Figura 94. Simulació en PSIM de la potència reactiva aportada dels filtres AC per fase. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 99 Com podem apreciar en la figura anterior, els filtres aporten 15 MVAr per fase. Llavors en total els filtres en AC de Mallorca aporten fins a 45 MVAr de potència reactiva en el sistema HVDC. 6.1.1. Filtres AC d'Eivissa Rama RLC per 11è harmònic: Factor de qualitat: Potència reactiva fase disseny: Tensió de fase: A freqüència nominal de 50 Hz de la xarxa elèctrica, els valors RLC calculats consumeixen: Estan dissenyats per a: Tensió de fase: Corrent nominal: Potència reactiva fase: Potència activa fase: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 100 Rama RLC per 13è harmònic: Factor de qualitat: Potència reactiva fase disseny: Tensió de fase: A la freqüència nominal de 50 Hz aquests valors RLC calculats consumeixen: Llavors, estan dimensionats per a uns valors de: Tensió de fase: Corrent nominal: Potència reactiva fase: Potència activa fase: Filtre passa alta: Factor de qualitat: Potència reactiva fase disseny: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 101 Tensió de fase: El filtre passa alta estarà format per un condensador i una inductància en paral·lel amb una resistència. Els valors dels quals seran: El factor de qualitat per a un filtre passa alta varia entre 0,5 - 2, segons la precisió desitjada, i es pot trobar de la següent manera: Essent la impedància característica: Per tant per a un factor de qualitat 2, el valor de la resistència en paral·lel és: A la freqüència nominal de 50 Hz, el valor de la impedància del filtre passa alta consumeix: És a dir, el filtre passa alta està dissenyat per a: Tensió de fase: Corrent nominal: Potència reactiva fase: Potència activa fase: Els filtres AC d'Eivissa aporten uns 7,5 MVAr per fase, en total subministraran 22,5 MVAr de potència reactiva en el sistema HVDC. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 102 Figura 95. Imatge de filtres en la part AC. [14] 6.2. Filtres en la part DC En la part continua els harmònics produïts per el convertidor de 12 polsos generen corrents harmònics d'ordre 12n que es poden transmetre per la línia DC. El valor de la inductància allisadora connectada a la sortida del convertidor en la línia DC té una gran influència en el filtrat dels harmònics en la part contínua. Depenent la seva grandària té un major efecte en l'arrissat del corrent, el qual determinarà la quantitat d'harmònics produïts. [4] En el sistema HVDC Mallorca-Eivissa el valor de la inductància allisadora és de 0,1125 H. Amb aquest valor alt de inductància, el corrent de la línia DC presenta els següents harmònics: Figura 96. Harmònics del corrent de línia Id obtinguts amb el programa PSIM-Simview. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 103 Com podem apreciar a la Figura 96, els harmònics de corrent ja venen atenuats per la inductància allisadora. Per a l'harmònic 12 el valor del corrent és de 1,31 A, mentre que per a l'harmònic 24 el valor és de 4,27 A. Amb aquests baixos valors de les components harmòniques, no és necessari la instal·lació de filtres a la part DC del sistema HVDC MallorcaEivissa. 7. Font de reactiva Sabem que la potència reactiva que consumeix un convertidor depèn de la potència activa transmesa per la línia DC i del factor de potència. Per al funcionament nominal del convertidor tindrem que la potència reactiva és de: Com que els filtres AC de Mallorca aporten fins a 45 MVAr, serà necessari la instal·lació d'un banc de condensadors per poder compensar fins als 64,21 MVAr consumits en règim nominal. El banc de condensadors es connectarà amb Y amb el neutre a terra i la potència reactiva a compensar és de aproximadament 20 MVAr. Llavors el valor dels condensadors de cada fase serà de: Mentre que els filtres AC d'Eivissa aporten fins a 22,5 MVAr, la potència a compensar serà major. Aproximadament 42 MVAr han de compensar els bancs de condensadors. Degut a la alta compensació necessària, es connectaran 3 bancs de condensadors en paral·lel de 14 MVAr cada un. Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 104 Figura 97. Imatge d'un banc de condensadors. [14] 8. Resum dades sistema HVDC Mallorca-Eivissa Figura 98. Esquema unifilar del sistema HVDC Mallorca-Eivissa. 0,1125 H 0,1125 H 6,826 Ω 27,85 mH 27,85 mH 66 kV 66 kV 132 kV 66 kV 66 kV 66 kV 27,85 mH 27,85 mH 20 MVAr 45 MVAr 42 MVAr 22,5 MVAr 45 MVAr 22,5 MVAr 20MVAr 42MVAr 0,1125 H 0,1125 H 6,826 Ω 7,547 Ω Y-∆ Y-Y Y-Y Y-∆ Y-∆ Y-Y Y-Y Y-∆ 13,165 μF 13,165 μF 13,165 μF 13,165 μF 16,705 μF 16,705 μF Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 105 Dades Valor Unitat Potència nominal 2x100 MW Tensió alterna nominal Mallorca 132 kV Tensió alterna nominal Eivissa 66 kV Tensió contínua nominal 150 kV Distància total 126 km Corrent nominal DC 666,7 A Alfa nominal 17,56 ° Alfa mínima 5 ° Gamma nominal 17 ° Gamma mínima 15 ° Tensió bloqueig tiristor LTT 5,2 kV Nº tiristors per convertidor de 12 polsos 108 - Corrent AC equivalent vàlvules 544,33 A Inductor línia DC 0,1125 H Potència nominal transformador convertidor 62,23 MVA Tensió nominal transformador convertidor 132/66 kV Inductància paràsita transformador 27,85 mH Resistència cable pol 6,826 Ω Capacitat cable pol 26,33 μF Resistència retorn metàl·lic 7,547 Ω Capacitat retorn metàl·lic 33,41 μF Potència reactiva filtres AC Mallorca 45 MVAr Potència reactiva banc condensadors Mallorca 20 MVAr Potència reactiva filtres AC Eivissa 22,5 MVAr Potència reactiva banc condensadors Eivissa 42 MVAr Pèrdues de línia a plena càrrega (100 MW) 3,034 MW Rendiment de la línia a plena càrrega 96,97 % 9. Consideracions econòmiques El cost per a la realització d'una connexió HVDC submarina ha de tenir en compte els principals aspectes:  Cost d'inversió de les estacions convertidores  Cost d'inversió dels cables submarins  Costs d'explotació i manteniment  Costs d'estudis, reconeixements geològics, marins, etc. Cost d'inversió de les estacions convertidores Els costs d'inversió per a les subestacions convertidores es componen bàsicament dels costs del equipament i infraestructures, que depèn del nivell de tensió, el nivell de seguretat de funcionament requerit, les condicions mediambientals, condicions d'instal·lació (adquisició d'un terreny, modificació de la xarxa present, etc.). Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 112 3. Modelat dels bancs de condensadors De la mateixa manera que amb els filtres d'alterna, per tal de no saturar l'espai del model general, s'han creat blocs els quals en el seu interior es troba el circuit equivalent dels diferents bancs de condensadors utilitzats en el sistema HVDC. Figura 103. Modelat del banc de condensadors de Mallorca Figura 104. Modelat del banc de condensadors d'Eivissa Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 113 4. Modelat del analitzador de xarxes Per tenir un sistema de mesura que ens permeti donar lectures de la tensió eficaç (rms), del corrent eficaç (rms), de potència activa i de potència reactiva en la part alterna trifàsica, s'ha muntat un subcircuit que a partir de tres entrades i tres sortides (cables trifàsics), mitjançant sensors de corrent i de tensió realitza els següents càlculs per obtenir les lectures desitjades:  Tensió rms: 222 13 rms a b c V v v v   més un filtre passa baixos a 5 Hz.  Corrent rms: 222 13 rms a b c I i i i   més un filtre passa baixos a 5 Hz.  Potència activa: a a b b c c P v i v i v i      més un filtre passa baixos a 20 Hz.  Potència reactiva:         13a b c b c a c a b Q v v i v v i v v i         més un filtre passa baixos a 20 Hz. Figura 105. Modelat del analitzador de xarxes Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 114 5. Controlador alfa i gamma Els convertidors usats en aquest sistema HVDC són del tipus LCC (Line-Commutated Converters), és a dir, fan servir tiristors commutats per la pròpia xarxa elèctrica. Per controlar l'angle de dispar d'aquests tiristors o pont convertidor es fa servir el controlador alfa/gamma. Aquest controlador alfa/gamma té dues entrades; la primera és el senyal de sincronització per tal de operar a la mateixa freqüència de la xarxa elèctrica i la segona és l'angle de dispar alfa/gamma desitjat per a la commutació dels tiristors. Les sortides proporcionades són tres; la primera és l'angle de dispar per al convertidor de 6 polsos connectat al transformador YY, la segona és l'angle de dispar retardat 30° per al convertidor connectat al transformador YD i la tercera sortida és la mesura del angle de dispar utilitzat per a controls posteriors. Figura 106. Controlador alfa per al rectificador i controlador gamma per a l'inversor Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 115 6. Control del rectificador El control del rectificador està format per dos controls diferents que el fan treballar en dos modes respectivament: El primer mode és el control de corrent constant (Control CC) el qual se li introdueix una consigna de corrent i aquesta es resta amb el corrent mesurat fent passar aquest error de corrent per un controlador PI i generant un angle de dispar α per satisfer la consigna de corrent. El segon mode és el control d'angle d'activació constant (Control CIA). Aquest mode s'encarrega de que en els casos quan el rectificador treballa a tensió reduïda degut a alguna falla en la part alterna del rectificador, l'angle de dispar tendeix a reduir-se per tal d'augmentar la tensió contínua en la part DC del rectificador. No obstant, l'angle de dispar α del rectificador no es permet que operi sota un valor mínim (αmin) que en el cas del sistema HVDC MallorcaEivissa és de 5°, per tal d'evitar falles de commutació en els tiristors o inestabilitats en el sistema. Aquest control fixa una consigna d'angle αmin de 5° que es resta amb l'angle α mesurat i l'error d'angle passa per un PI que ràpidament aconsegueix el valor de la consigna. Finalment per escollir el mode de treball del rectificador, les sortides de cada control passen per un bloc MAX que tria el valor màxim de cada control aportant com a sortida l'angle α. Figura 107. Control del rectificador Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 116 7. Control de l'inversor El control de l'inversor també està format per dos controls diferents que el fan treballar en els següents modes: Mode de control d'angle d'extinció constant (Control CEA). Té com a objectiu mantenir constant l'angle γ de l'inversor considerant variacions de tensió i corrent, per tal d'assegurar que no es condueixin corrents en temps no desitjats. Consisteix en una consigna de referència (gammaref) de 17° per al sistema HVDC Mallorca-Eivissa que es resta amb l'angle γ mesurat i es fa passar per un controlador PI que redueix l'error en poc temps per arribar a la consigna de referència. Mode de control de corrent constant (Control CC). Quan el rectificador deixa de treballar en control CC i passa a control CIA, degut a una possible falla que el fa treballar a tensió reduïda, el control CEA del inversor no és vàlid. Per aquest motiu l'inversor presenta el mode de control CC. La consigna de corrent de l'inversor ha de ser inferior a la consigna de corrent del rectificador per tal d'evitar errors i creuaments entre els diferents controls CC. D'aquesta manera a la consigna de corrent se li resta el marge de corrent què és d'un valor del 10 % del corrent nominal de línia (666,7 A), és a dir 66,67 A. Seguidament se li resta el valor del corrent mesurat i l'error passa per un altre controlador PI que genera un angle de sortida γ per satisfer la consigna. Per a que l'inversor esculli el mode de control, les sortides de cada control passen per un bloc MIN que tria el valor mínim de cada control aportant com a sortida l'angle γ. Figura 108. Control de l'inversor Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 117 8. Control central d'un pol El control central s'encarrega de donar els senyals de referència de corrent o bé de potència, els quals generaran les diferents ordres de consigna a les estacions convertidores (rectificador i inversor). A aquest control central se li ha afegit un control limitador de corrent dependent de la tensió (Control VDCOL), el qual s'encarrega de limitar el corrent en funció de la tensió de la línia quan presenta valors baixos. El control VDCOL s'ha implementat utilitzant una funció amb les característiques de la següent gràfica: Figura 109. Gràfica de les característiques del control VDCOL La funció que defineix la gràfica és: On els valors de m i n són: Llavors el control VDCOL consisteix en una entrada amb el valor de la tensió de línia mesurada en l'inversor (final de línia on la tensió és més baixa) multiplicat per un bloc proporcional amb el valor de la pendent m el qual se li resta el valor n per obtenir la funció descrita anteriorment. A la sortida s'incorpora un limitador de 666,7 A i 150 A amb la qual s'aconsegueix les característiques de la Figura 109. Al control VDCOL se li afegeix un subcontrol que va retardat uns 0,01 segons que actua quan la tensió es recupera d'una falla i requereix un major temps. Mentre que el control normal VDCOL actua quan hi ha un augment o disminució significatiu de la tensió de línia. Id Imax Imin Vd 666,7 A 150 A 0,65 pu 0,8 pu 1 pu Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 118 Finalment els dos controls VDCOL s'enllacen amb un bloc MIN on la sortida es connectarà a un altre bloc MIN que triarà el valor adequat per a la consigna de corrent destinada a la resta de controls dels convertidors. Figura 110. Control central d'un pol Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 119 Capítol 4. Resultats En aquest capítol s'analitzaran els diferents resultats obtinguts de la simulació del model dissenyat amb el programa PSIM del sistema HVDC Mallorca-Eivissa. Així com diferents situacions de falles en què el sistema es pot trobar i les actuacions del control implementat. 1. Condicions nominals Per a les condicions nominals introduïm un valor de referència de corrent nominal de 666,7 A al control central de cada pol i obtenim les següents gràfiques: Figura 111. Simulació del sistema HVDC Mallorca-Eivissa en condicions normals Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 120 Podem observar que en condicions nominals de funcionament del sistema HVDC tarda aproximadament uns 150 ms en arribar a règim permanent. Pel que fa a les lectures obtingudes tenim que: - Les potències transmeses són de 100 MW tant pel pol 1 (positiu) com el pol 2 (negatiu), de 206,27 MW que aporta la xarxa de Mallorca i de 200 MW la que absorbeix la xarxa d'Eivissa. La diferència de potència entre Mallorca i Eivissa és deguda a les pèrdues de les línies calculades en el Capítol 2, del ordre de 3 MW per cada pol. - La tensions de les línies DC són de ± 154,61 kV en l'estació rectificadora i de ± 150 kV en l'estació inversora. - Els corrents de línia són de 666,7 A en el pol 1 i de -666,7 A en el pol 2. - Els angles de dispar α van canviant segons els controls del rectificador fins a arribar a un valor de 17,5° en règim permanent. - Els angles de dispar γ també van canviant segons els controls del inversor fins a arribar a un valor de 137° que seria un valor de 17°, ja que el convertidor comença a operar com a inversor a partir dels 120°. Finalment en condicions nominals de funcionament del sistema HVDC, podem apreciar que els rectificadors treballen en mode de control CC i els inversors operen en mode de control CEA. Tots dos rectificadors com inversors tenen el mateix control implementat, per aquest motiu els valors de α com de γ són els mateixos en cada pol. 2. Falla en la part alterna del rectificador Depenent el tipus de falla que es dóna a la part alterna, el control del sistema respondrà d'una manera o una altra. Es simularan dos casos per a falles en la part alterna del rectificador. El primer cas serà una petita falla en la qual la tensió contínua baixi un 20 % i el segon cas serà una falla important com podria ser un curtcircuit trifàsic en el qual la tensió baixa molt bruscament. Com el comportament de cada pol és el mateix, per no duplicar els senyals obtinguts es visualitzaran els senyals d'un sol pol (pol positiu en aquest cas). Cas 1. Falla petita En aquest cas la falla es realitzarà en el interval de temps de 0,2 a 0,4 s. On es reduirà la tensió contínua un 20 %, és a dir fins als 120 kV. A continuació es visualitzen les simulacions obtingudes: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 121 Figura 112. Simulació d'una falla petita en la part alterna del rectificador A partir del segon 0,2 la tensió de la línia DC disminueix fins als 124,94 kV en el rectificador i a 120,75 kV en l'inversor. Durant la falla podem veure que l'angle α disminueix per tal d'augmentar la tensió en el rectificador, però arriba al seu límit de 5°, el qual fa canviar el mode de control CC i passa a operar sota control CIA mantenint constant l'angle α a 5°. Simultàniament, l'inversor deixa de treballar en control CEA i passa a control CC. Obtenint un corrent de 600,8 A que és el resultat de la resta del valor del corrent nominal (666,7 A) menys el marge de corrent (66,67 A). Durant la falla la potència de la línia DC disminueix fins als 72,18 MW, ja que la tensió i el corrent són menors. Una vegada eliminada la falla (segon 0,4) es produeix un transitori on hi ha un pic de corrent molt elevat. Passats els 150 ms de transitori el sistema es restableix tornant a funcionar com en les condicions nominals. És a dir, el rectificador treballa sota control CC i l'inversor amb control CEA, a 150 kV de tensió de línia, 666,7 A de corrent nominal i potència de 100 MW. Cas 2. Falla gran La falla també es realitzarà durant un interval de temps de 0,2 fins a 0,4 segons. Els resultats de la simulació per a una caiguda brusca de tensió en la part del rectificador són els següents: Estudi de transmissió en corrent continu amb convertidors LCC Marc Antoni Molio Dolezal 128 [29] REE, «Demanda balear en tiempo real,» [En línea]. Available: http://www.ree.es/es/actividades/sistema-electrico-balear/demanda-de-energia-entiempo-real. [30] REE, «Red de transporte balear,» [En línea]. Available: http://www.ree.es/es/actividades/sistema-electrico-balear/red-de-transporte. [31] Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG, «Infineon,» [En línea]. Available: http://www.ifbip-shop.com/en/Presspacks/Light-Triggered-Thyristors/T4003N52TOHPR.html. [32] M. U. R. B. J. D. Hartmut Huang, «Application of High Power Thyristors in HVDC and FACTS Systems,» Siemens AG, Infineon Bipolar GmbH & Co. KG, Erlangen & Warstein. [33] E. Sedki, «HVDC Thyristor - Siemens,» 6 July 2012. [En línea]. Available: http://emadrlc.blogspot.com.es/2012/07/hvdc-thyristor-siemens.html. [34] D. A. Woodford, «HVDC Transmission,» Manitoba HVDC Research Centre, Winnipeg, Canada, 1998. [35] TUB, «Energieversorgungsnetze und Integration Erneuerbarer Energien,» 7 April 2011. [En línea]. Available: http://www.sense.tuberlin.de/menue/album/fotos_2006/?showp=30&uid=348831. [36] ABB, «HVDC Light Cables,» Submarine and land power cables, p. 8, 2006. [37] J. I. Candela, Apuntes Transporte de Energía Eléctrica, Terrassa, 2013. [38] Interamericana de cables Venezuela, S.A, «Cables submarinos,» CABEL.