Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
JCEE’14 Ricard Picas Prat
1. Transmissió d’energia en HVDC ◦ Què és l’HVDC?
◦ Avantatges i inconvenients respecte HVAC
◦ Tecnologies LCC i VSC
◦ Instal·lacions reals
2
2. Convertidors multinivell ◦ Principals característiques
◦ Topologies:
Díode-Clamped (DCMLI)
Flying Capacitor (FC)
Cascaded H-Bridge (CHB)
3
3. Convertidor MMC ◦ Concepte i principis de funcionament
◦ Tècniques de modulació
◦ Llaços de control
◦ Aplicacions
4
HVDC: High Voltage Direct Current Transmissió d’energia en corrent continu
d’alta tensió: des de ±10kV a ±400kV ◦ Ultra High Voltage DC (UHVDC) : ±800kV
5
Principals aplicacions: ◦ Transmissions d’alta potència (Bulk power) i llarga
distància.
◦ Connexions submarines o subterrànies
◦ Interconnexió de xarxes asíncrones (50Hz i 60Hz)
◦ Estabilització de xarxes “dèbils”
6
7
Avantatges ◦ Efecte de les impedàncies paràsites → Reducció de
pèrdues en el dielèctric ◦ Menys nombre de cables ◦ No necessitat de compensadors d’energia reactiva
Inconvenients ◦ Necessitat de convertidors estàtics Increment del preu i volum de les estacions terminals Pèrdues energètiques en els convertidors
8
Major cost de les estacions HVDC però menor cost per unitat de longitud
Distància òptima: ◦ Línies aèries: >400km ◦ Línies subterrànies:
>60km
9
Dues tecnologies de convertidors per a HVDC: ◦ Line-Conmutated Converter (LCC) ◦ Voltage Source Converter (VSC)
10
Convertidor LCC ◦ Ús de dispositius semi-controlats:
Tiristors (SCR) ◦ Tecnologia madura amb una alta
eficiència: 0.75% ◦ Treball com a font de corrent
◦ Topologia: pont rectificador semi-
controlat de 12 polsos
11
Inconvenients de LCC ◦ Necessitat d’una “forta” tensió de sincronització → no
poden treballar en xarxes dèbils ◦ Necessitat d’energia reactiva ◦ Gran volum en filtres i compensadors de reactiva
12
Convertidor VSC ◦ Ús de dispositius totalment
controlats: IGBT o GTO ◦ Tecnologia menys evolucionada.
Pèrdues del 3% ◦ Treball com a font de tensió
◦ Inversor 2 nivells o topologies
multinivell
13
Avantatges de VSC ◦ No necessitat de tensió de sincronització ◦ Gran controlabilitat de P i Q ◦ Baix contingut harmònic → Poc volum en filtres
14
Itaipú (Brasil) ◦ Evacuació d’energia d’una central hidroelèctrica ◦ 6300 MW, ±600kV i 800km. ◦ Tecnologia LCC. Fabricant ABB ◦ Any 1987 ◦ Justificació: Unió de xarxes asíncrones (50Hz-60Hz) i
llarga distància
15
Xiangjiaba – Shanghai (Xina) ◦ Evacuació d’energia d’una central hidroelèctrica ◦ 6400 MW, ±800kV i 2000km. ◦ Tecnologia LCC. Fabricant ABB ◦ Any 2010 ◦ Justificació: Llarga
distància
16
Caprivi Link (Namíbia) ◦ Enllaç de xarxes dèbils ◦ 300 MW, 350kV i 950km. ◦ Tecnologia VSC 2 nivells. Fabricant ABB ◦ Any 2009 ◦ Justificació: Llarga distància, xarxes dèbils
2. Convertidors multinivell ◦ Principals característiques
◦ Topologies:
Díode-Clamped (DCMLI)
Flying Capacitor (FC)
Cascaded H-Bridge (CHB)
17
18
VSC amb múltiples nivells de tensió de sortida ◦ Menys contingut harmònic → Reducció filtres
Distribució de les exigències de tensió en múltiples interruptors ◦ Increment de la tensió i potència del convertidor ◦ Ús de dispositius de menor potència
19
Es divideix la tensió del bus de continua amb condensadors.
La sortida es connecta als diversos nivells de tensió a través dels díodes fixadors i la combinacions d’interruptors (IGBT o GTO)
20
Diverses branques de
condensadors
Combinant la tensió del
bus i la tensió de la
branca activada es crea
el nivell de sortida
21
Convertidors inversors
connectats en sèrie.
Font de tensió
independent per a cada
cel·la
Tensió de sortida = suma
de cada cel·la
Convertidor més comercial
3. Convertidor MMC ◦ Concepte i principis de funcionament
◦ Tècniques de modulació
◦ Llaços de control
◦ Aplicacions
22
23
Modificació del convertidor en cascada ◦ Substitució de fonts de tensió per condensadors ◦ Cel·les amb estructura en semi-pont
Principals característiques ◦ Escalabilitat a diferents nivells de tensió i potència ◦ Baix contingut harmònic, sobretot a alta tensió ◦ Absència de condensador al bus de continua
24
S1 off→vSM=0 S1 on→vSM=vC
N Sub-Mòduls (SMs) connectats en sèrie
25
Vout=VDC-∑(VSM) Tensió superior ha de
coincidir amb tensió inferior
Inductàncies per limitar el corrent intern
Múltiples combinacions per obtenir un mateix nivell de sortida.
26
Més comú: Tècniques multiportadora Per a molts nivells de tensió: NLM
MODULACIÓ PD-PWM La sortida consisteix en n
nivells de tensió. Comparació amb n-1
portadores desplaçades verticalment.
27
28
Phase-shifted (PS-PWM)
Nearest Level Modulation (NLM)
29
Control d’equilibrat de tensió als condensadors
◦ Diverses combinacions per una mateixa sortida (graus de llibertat).
◦ Prioritat de les cel·les en funció de la seva tensió.
◦ Ip>0 → Activació del més descarregat.
◦ Ip<0 → Activació del més carregat.
30
Diversos llaços de control encadenats
31
La principal aplicació del convertidor MMC és la transmissió d’energia en HVDC ◦ Permet treballar a molt alta de tensió ◦ Distribueix la tensió entre tots els components → Es
redueix l'estrès dels components ◦ Ús de molts nivells de tensió → No necessitat de filtres ◦ No necessita condensador de bus
Tres principals fabricants ◦ SIEMENS: HVDC PLUS ◦ ABB: Cascaded Two-Level (CTL) HVDC LIGHT ◦ ALSTOM: HVDC MaxSine
32
Trans Bay Cable (San Francisco, EUA) ◦ Primera línia HVDC amb MMC ◦ Tecnologia HVDC PLUS de SIEMENS ◦ 400MW, ±200kV i 85km ◦ Any 2010 ◦ Justificació:
Enllaç submarí
33
Baixas - Santa Llogaia ◦ 2 x 1000MW, ±320kV i 65 km
◦ Tecnologia HVDC PLUS de SIEMENS
◦ Justificació: Enllaç subterrani
34
S. Cole and R. Belmans, “Transmission of bulk power”, IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 3, 2009, pp. 19-24.
M.P. Bahram, “HVDC Transmission Overview”, IEEE/PES Transm. Distri. Conf. Exp., 2008, pp. 1-7.
L.G. Franquelo, J. Rodríguez, J.I. León, S. Kouro, P. Portillo, and M.A.M. Prats, “The age of multilevel converters arrives,” IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 2, no. 2, 2008, pp. 28-39.
K. Friedrich, “Modern HVDC PLUS application of VSC in modular multilevel converter topology,” in Proc. IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 4-7 July 2010, Bari, Italy, pp. 3807-3810.
M. Saeedifard and R. Iravani, “Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 25, no. 4, 2010, pp. 2903-2912.
http://new.abb.com/systems/hvdc http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-transmission/hvdc/ http://www.alstom.com/grid/products-and-services/engineered-energy-
solutions/hvdc-transmission-systems/
35
La transmissió d’energia en corrent continu (HVDC) i els convertidors multinivell
Ricard Picas Prat