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CIGRE SC B4 HVDC and Power Electronics

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Seminario Bienal CIGRE 2007 “Innovación en Parques de

Generación y Redes Eléctricas de Transmisión”

Santiago – 03 Deciembre 2007Marcio Szechtman

Los Proyectos en HVDC

• Convencionales HVDC (thyristor based = Thy): Comutados por la Tensión CA

• Voltage Source Converters (con dispositivos modernos = IGBTs): Comutados por el gate del dispositivo

Llave controlable

Diodo

Anti-paralelo (reverse current)

• Voltage Sourced Converters:El voltaje DC voltaje siempre tiene la misma polaridad; la potencia cambia de dirección por el cambio de la corriente DC( necesario la capacidad de turn-off)

Current Sourced Converters:La corriente DC siempre con la misma polaridad; la potencia cambia de dirección por el cambio de polaridad del voltaje DC

Definiciones de VSC y ISC

Situación presente del mercado de Electronica de Potência

• HVDC es el producto líder

• En este momento, tenemos en ± 800 kV, 3 proyectos simultáneos, que suman 17,400 MW ( 2 en China e 1 en India). Estas aplicaciones son el driver principal del mercado, y pueden brindar avanzostecnológicos importantes

La Evolución de la tecnología de losThyristores (1)

• Reemplazaran las válvulas de mercurio en los 1970’s

0

2

4

6

8

1970 1980 1990 2000

Thyristor blocking voltage kV

Thyristor current kA

Fuente: SIEMENS y ABB

State of the art:

6 “ diâmetro

8 kV – 4 kA

para

± 800 kV – 6,400 MW

La Evolución de la tecnología de los sistemas tiristorizados (2)

• Desarrollo de 3.000 MW ± 500 kV en los 1990’s para la presente demanda de 6.000 MW en ±800 kV

• Toda la electrónica de los tiristores, control y protección en base fully digital

• Equipos de manobra en SF6

• Refrigeración de las válvulas en base agua desde 1975

• Buchas externamente con silicone rubber, aisladas en SF6.

Fuente: SIEMENS y ABB

Los Diseños modernos de lasinstalaciones (1)

Los Diseños modernos de lasinstalaciones (2)

Los Diseños modernos de lasinstalaciones (3)

Los Diseños de lasInstalaciones en los 1980’s

300 kV Itaipu 250 kV Nelson River

La Tecnología en ± 800 kV se he desarrollado para el mercado (1)

External wall bushing

Source: ABB

La Tecnología en ± 800 kV se he desarrollado para el mercado (2)

Las dimensiones en ± 800 kVEarth plane

5m

8.5m

400kV

800kV

26m

Earth plane

400kV

4m

1m

17.5m

Earth plane

5m

8.5m

400kV

800kV

26m

Earth plane

400kV

4m

1m

17.5m

Source: AREVA

El mercado global HVDC

70.000 MW en 100 proyectos

Las Principales Aplicaciones en HVDC

• Back to Back– Interconexiones asíncronas u conversión de frecuencia

• Sistemas de Transporte– Largas distancias, corredores de transporte, por líneas

aéreas

• Sistemas de Interconexión con cables– Muy utilizado en aplicaciones submarinas (hasta 500 kV –

600 km)

• Interconexiones entre países

Los Proyectos en HVDC

• Los más grandes

• Year Name MW Voltage kV Line kM• 1970/85 Pacific Intertie 2000 ± 500 1361• 1977 Cahora Bassa 1920 ± 533 1420• 1978 Nelson River 2 2000 ± 500 937• 1982 Inga Shaba 560 ± 500 1700• 1986 Inter Mountain 1920 ± 500 785• 1986 Itaipu 6300 ± 600 818• 1986/92 Quebec - N.E. 2690 ± 450 1486 M term• 1989/90 Gez- Shanghai 1200 ± 500 1046• 1991 Rihand Delhi 1500 ± 500 814

Los Proyectos en China • Sistemas de Transporte• Year Name MW Voltage kV Line kM

• 2003 3G – Changzu 3000 ± 500 890• 2004 3G – Guang 3000 ± 500 940• 2005 Gui- Guang 3000 ± 500 940• 2006 3G-Shanghai 3000 ± 500 1060• 2007 LingBao BtB �������� 750 ±120• 2007 JingMen-Shanghai 3000 ±500 1017• 2007 Deyang-Baoji 3000 ±500 574

• 2008 Hu-Liao 4000 ±660 913• 2008 Ningxia-Shandong4000 ±660 1290

• 2010 Yun-Guang 5000 ± 800 1418• 2011 Jingping-Huadong 6400 ± 800 2043

Los Proyectos en HVDC y los de TCSC en India

• HVDC

• Year Name MW Voltage kV Line kM

• 2003 East South Int 2000 ± 500 1450• 2007 Ballia-Bhiwadi 2000 ± 500 800• 2011 NER-Agra 6000 ± 800 1920

• TCSC

• Year Name Voltage Line kM• 2004 Raipur- Rourkela 400 kV 400

• 2006 Gorakhpur- Muzaffarpur 400 kV 247

• 2006 Muzaffarpur- Purnea 400 kV 260

Los Proyectos en HVDC y los de TCSC en Brazil

• HVDC

• Year Name MW Voltage kV Line kM

• 2013 Madeira River 6300 ± 600 (?) 2500• 2015 Belo Monte 2000 ± 500 1000

• TCSC• Year Name Voltage Line kM• 1998 North – South 1-

2 terminals500 kV 1100

• 2004 North – South 2 –2 terminals

500 kV 1300

Interconexiones entre países

• Cabos submarinos:

• B-t-B:– Argentina – Brazil, Russia – Finland, Gulf States

• Transmision:– Mozambique – South Africa, Paraguay – Brazil,

Canada – U. S (New England)

France – UK Norway – Netherlands

Italy – Greece Sweden – Poland

Norway - Denmark Italy – Corsica

Denmark – Sweden Scotland – N. Ireland

Sweden – Finland Malaysia - Thailand

Algunos ejemplos importantes deHVDC

Texas no hay sufrido por los problemas de black-outs

Nuevos Enlaces y MW HVDC adicionados al mercado

1970-1980 10

1981-1985 14

1986-1990 19

1991-1995 11

1996-2000 9

2001-2006 9

HVDC CAPACITY ADDED

0

5000

10000

15000

20000

25000

81-85 86-90 91-95 96-00 01-06

YEARS

MW

El equipo de performance crítico:Los transformadores convertidores

HVDCFAILURE RATE BY YEAR COMMISSIONED

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

1970 -1980 1981-1985 1986-1990 1991-1995 1996-2000 2001-2006YEAR COMMISSIONED

FAIL

UR

E R

ATE

ACTUAL PREVENT TOTAL

Los monofásicos 3-W son los tajas de falla más grandes

CONVERTER TRANSFORMERFAILURES 1991-2004

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1-2 1-3 1-4 3-2 3-3 3-4PHASE-WDGS

# O

F F

AIL

UR

E FAILED

PREVENT

Una posible correlación con las dimensiones físicas

FAILURES BY MVA RATING1 PHASE, 3 WDG

0

10

20

30

40

50

225 235 300 315MVA

IN SERVICE ACTUAL FAIL PREVENT FAIL

Los Proyectos VSC

• Comercialmente en el rango de 3 – 330 MW, +/- 150kV

• Todos menos uno utilizan cables

• Aplicaciones principales– Conexión de plantas eólicas– Acuerdos comerciales de cambio de energía– Fuente de energía para las plataformas de

petróleo

Comparación básica VSC x HVDC

• Utilizan tiristores• La comutación se hace

por una fuente externa de voltaje

• Los convertidores consumen potênciareactiva

• La operación se hace en frecuencia nominal

• Pérdidas en 0,6 % por estación

• IGBTs tienen la capacidad de hacer el turning on andoff, internamente sin necesidad de fuente externa

• El Condensador DC como fuente de voltaje

• Independencia de P and Q y su dirección

• La operación se hace en kHz (PWM)

• Pérdidas al rededor de los 1,5 % por estación

La Configuraión VSC HVDC

TROLL - 2005

84 MW, +/- 60kV, 4-SEA CABLES, 70 km

SUPPLY TO OFF SHORE GAS PLATFORM

Semiconductor Power and Switching Frequency

Critical Thy parameters:

On-state voltage drop at on-state current

Turn-on energy

Turn-off energy

Critical IGBT/IGCT parameters:

Series connection

Losses

Costs

Conclusiones

• El producto de liderazgo en el PEI es el nuevo ± 800 kV de alta capacidad de transporte;

• Las soluciones enbasadas en los tiristoresson la más aplicadas

• El dispositivo ideal todavía no surgió (SiC)• Cuestión: cuando y a cual precio?

Gracias por su atención!