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¿Es la transmisión de energía de CA la opción más eficiente para el siglo XXI?

La transmisión de energía de CA es el modo más común de transmisión de energía en el mundo. La transmisión de CC solo se puede encontrar en algunas aplicaciones específicas.

Las ventajas y desventajas de la transmisión de energía HVDC deben analizarse en detalle. Solo así podremos plantear la pregunta: ¿es la transmisión de energía de CA la forma más eficiente para el siglo XXI?

Hoy en día, diversos requisitos para aumentar la eficiencia y la confiabilidad de la transmisión pueden llevarnos a cuestionar el uso de los sistemas de transmisión de corriente alterna (CA). Se está realizando una investigación intensiva de los sistemas de corriente continua (DC) porque las desventajas de los sistemas de voltaje de CA se están haciendo visibles.

Los antecedentes históricos de los sistemas de CA y CC

El primer sistema de energía eléctrica fue construido y probado a fines del siglo XIX. Al principio, los sistemas de alimentación de CC se utilizaron principalmente. El sistema de transmisión de potencia DC tenía varias limitaciones. El voltaje de CC no se pudo transformar, lo que significa que la energía no se podría transmitir a larga distancia sin valores altos de caída de voltaje y pérdidas de potencia.

Thomas Alva Edison y su equipo desarrollaron el generador de CC, el equipo del interruptor, los fusibles, los focos y los primeros sistemas de CC en 1881. Los sistemas de CC funcionaron con 110 voltios como pequeños sistemas aislados para disminuir las pérdidas de energía. Varios años después (en 1887), George Westinghouse compró las patentes de Tesla relacionadas con los sistemas de aire acondicionado y lo contrató para continuar su desarrollo.

La posibilidad de transformar el voltaje de un nivel a otro hizo que los sistemas de CA fueran favorables para la transmisión de energía a larga distancia. Esa fue la razón principal por la que superaron los sistemas de energía DC.

Hoy en día, los sistemas de CC se utilizan en algunas aplicaciones específicas, como los sistemas de telecomunicaciones, los vehículos, los barcos y la transmisión de alto voltaje.

Limitaciones de los sistemas de transmisión de CA trifásicos

Un desarrollo de sistemas de transmisión de CA trifásicos se acerca a los límites de sus posibilidades.

Tales límites pueden incluir:

• Pérdidas de potencia de transmisión debido a la inevitable transmisión de potencia reactiva.
• Mayores pérdidas de potencia por efecto piel.
• La imposibilidad de interconexión de sistemas de transmisión trifásicos ramificados con una frecuencia nominal diferente (50-60 Hz) o con un método de regulación de frecuencia diferente
• Aumentar el valor de la corriente de cortocircuito (los disyuntores rompen las corrientes defectuosas con dificultad; esfuerzo mecánico significativo en el equipo eléctrico)
• La imposibilidad de usar líneas de cable más largas (es decir, cables submarinos) debido a los altos valores de capacidad transversal

Debido a estas limitaciones del sistema de transmisión de CA, el futuro de los sistemas de transmisión de energía podría encontrarse en tecnologías basadas en el uso de dispositivos electrónicos de potencia, conocidos como sistemas de transmisión HVDC. El principio de funcionamiento de este sistema consiste en la conversión de la alimentación de CA en CC (mediante el uso de rectificadores), las líneas de transmisión de alimentación de CC de larga distancia y la conversión de la alimentación de CC en CA (mediante inversores). La conversión de potencia se realiza en estaciones convertidoras.

Configuración del sistema HVDC

Esencialmente, hay dos elementos principales de un sistema de corriente continua de alto voltaje (HVDC):

• Estaciones convertidoras en los puntos finales del sistema de transmisión.
• Líneas de transmisión (líneas aéreas, cables)

Las estaciones convertidoras pueden operar en ambos regímenes como inversores o como rectificadores. Esta característica permite la transmisión de energía en ambas direcciones.

La estación convertidora es una solución innovadora que básicamente habilita la aplicación del sistema HVDC. Las partes más importantes de la estación de conversión son la unidad de conversión de puente y el transformador de conversión. Una válvula semiconductora es el componente principal de la unidad convertidora de puente. Una válvula de semiconductor incontrolable está hecha de diodos, mientras que la versión controlable está hecha de tiristores conectados en una configuración en serie.

Los tiristores de alto rendimiento integrados en un moderno sistema HVDC tienen un diámetro de disco de hasta 5 pulgadas (125 mm) con una corriente máxima de 4 kA y una capacidad de bloqueo de voltaje superior a 8 kV. Los tiristores se pueden conectar en configuraciones en serie para obtener una mayor capacidad de bloqueo con voltajes superiores a 100 kV.

Los sistemas modernos HVDC utilizan en su mayoría convertidores de puente de doce pulsos. Están diseñados como dos convertidores de puente de seis pulsos totalmente controlables conectados en una configuración en serie, como se ve a continuación en la Figura 1 (a).

Figura 1. (a) Convertidor de puente de doce impulsos con dos lados secundarios de transformadores (Y-Y e Y-) y (segundo) Convertidor PWM HV. Click para agrandar

La introducción de la modulación de ancho de pulso

Un desarrollo de componentes de alta frecuencia, como un IGBT, resultó en un diseño de convertidor de alto voltaje que utiliza tecnología PWM (modulación de ancho de pulso). Al usar convertidores PWM HV, es posible regular cualquier frecuencia y amplitud cambiando las señales PWM.

La parte principal del convertidor de PWM HV es el convertidor de puente IGBT. El moderno IGBT tiene una capacidad de bloqueo de voltaje de 6,5 kV (aunque la investigación más reciente ha permitido más de 8 kV) con un valor de corriente máximo de 3,6 kA y una frecuencia de conmutación que puede oscilar entre varias decenas de kHz. Estos convertidores IGBT son resistentes al valor crítico de dv / dt superior a 100 kV / µs, como se ve en la Figura 1 (b).

Transformadores HVDC

Los transformadores HVDC son una parte importante de un sistema HVDC. Se emplean para transformar el voltaje de un sistema de CA a un valor de voltaje de CA correspondiente para la entrada del convertidor de puente. El convertidor de puente de doce pulsos requiere el suministro diseñado por dos sistemas de voltaje trifásico desplazados en 30 °. Esto se logra utilizando dos transformadores trifásicos (o un transformador con dos lados secundarios como se ve en la Figura 1) con diferentes configuraciones de bobinado: uno conectado en Y-Y y el otro en el grupo de vectores del transformador Y-Δ.

Esta solución ayuda a cancelar los armónicos quinto y séptimo del lado AC y el armónico sexto del lado DC, lo que resulta en un ahorro significativo en los filtros de armónicos.

Las estaciones convertidoras contienen otros equipos importantes, como filtros de CA, filtros de CC, descargadores de sobretensiones, seccionadores, etc.

Sistemas de transmisión HVDC

Las ventajas del sistema de transmisión HVDC incluyen:

• Disminución de pérdidas de potencia (la influencia de las líneas inductivas parásitas es insignificante)
• Capacidad de transmisión casi completa utilizada para la transmisión de potencia activa
• Un menor número de líneas para transmitir la misma cantidad de energía.
• Un valor de sección transversal de línea inferior (efecto de piel insignificante)
• Una torre y una ruta de transmisión menos costosas debido a un número menor de líneas (como se ilustra en la Figura 2, a continuación)
• Transmisión de energía submarina a larga distancia debido a bajos valores de capacidad transversal

Figura 2. Las torres de transmisión HVDC ocupan menos espacio.

Por otro lado, los sistemas de transmisión HVDC enfrentan algunas desventajas, tales como:

• Las operaciones del inversor producen un nivel significativo de altos armónicos en la red y crean problemas con la calidad de la energía
  • Además, la electrónica de potencia produce ruido en las señales de telecomunicación. Esto puede ser mitigado por el desarrollo de filtros que ayudan a disminuir la influencia de tales desventajas.
• Las estaciones convertidoras constan de una gran cantidad de tiristores, que son un componente costoso de la electrónica de potencia.
  • También hay pérdidas significativas de energía durante la operación del tiristor.

Además, no debe olvidarse que casi toda la infraestructura eléctrica y los consumidores de energía están adaptados a la alimentación de CA, lo que requiere un cambio.

El aspecto económico de los sistemas de transmisión HVDC

La rentabilidad de los sistemas de transmisión HVDC depende de varios factores.

El factor principal es la distancia de transmisión. En el caso de una distancia de transmisión más corta, es eficiente instalar sistemas de transmisión HVAC. Sin embargo, para las líneas de larga distancia, los sistemas HVDC son rentables. Es difícil encontrar la distancia crítica a la que se justifica la instalación del sistema HVDC. Solo para fines de orientación, la distancia crítica para un sistema de transmisión de energía aérea es entre 300 y 500 millas con una potencia de transmisión de 2000 MW.

El costo del sistema HVDC es alto debido a la instalación de una estación de conversión en los puntos finales del sistema de transmisión. El costo del sistema HVAC es significativamente menor en esas partes del sistema.

Aquí hay algunas situaciones hipotéticas en las que se puede tomar una decisión a favor de un sistema de transmisión HVDC:

• Cuando el sistema de transmisión HVDC es rentable en comparación con el sistema HVAC trifásico (por ejemplo, alta potencia de transmisión, larga distancia de transmisión de potencia)
• Cuando el sistema HVAC no es posible (por ejemplo, interconexiones de la red de alimentación de CA trifásica asíncrona, líneas de cable largas como transmisión de energía submarina)
• Cuando se requiere la regulación de potencia y el control de flujo de potencia incluso si la transmisión HVAC es rentable

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¿Cuál es tu experiencia con los sistemas de energía? ¿Está de acuerdo con esta evaluación de los sistemas AC vs DC? Comparte tu experiencia en los comentarios a continuación.