Una estación convertidora de HVDC (o simplemente estación convertidora ) es un tipo especializado de subestación que forma el equipo terminal para una línea de transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC). [1] Convierte la corriente continua en corriente alterna o viceversa. Además del convertidor , la estación generalmente contiene:
El convertidor se instala normalmente en un edificio llamado sala de válvulas . Los primeros sistemas HVDC utilizaban válvulas de arco de mercurio , pero desde mediados de la década de 1970 se han utilizado dispositivos de estado sólido como los tiristores . Los convertidores que utilizan tiristores o válvulas de arco de mercurio se conocen como convertidores conmutados por línea . En los convertidores basados en tiristores, muchos tiristores se conectan en serie para formar una válvula de tiristores, y cada convertidor normalmente consta de seis o doce válvulas de tiristores. Las válvulas de tiristores suelen agruparse en pares o grupos de cuatro y pueden colocarse sobre aisladores en el suelo o colgar de aisladores del techo.
Los convertidores conmutados por línea requieren voltaje de la red de CA para la conmutación, pero desde fines de la década de 1990, se han comenzado a utilizar convertidores con fuente de voltaje para HVDC. Los convertidores con fuente de voltaje utilizan transistores bipolares de puerta aislada en lugar de tiristores, y estos pueden proporcionar energía a un sistema de CA sin energía.
Casi todos los convertidores utilizados para HVDC son intrínsecamente capaces de operar con conversión de potencia en cualquier dirección. La conversión de potencia de CA a CC se denomina rectificación y la conversión de CC a CA se denomina inversión .
El equipo de corriente continua a menudo incluye una bobina (llamada reactor ) que agrega inductancia en serie con la línea de CC para ayudar a suavizar la corriente continua. La inductancia generalmente asciende entre 0,1 H y 1 H. El reactor de suavizado puede tener un núcleo de aire o un núcleo de hierro. Las bobinas de núcleo de hierro se parecen a los transformadores de alto voltaje llenos de aceite. Las bobinas de suavizado de núcleo de aire se parecen, pero son considerablemente más grandes que, las bobinas de estrangulamiento de frecuencia portadora en líneas de transmisión de alto voltaje y están sostenidas por aisladores . Las bobinas de aire tienen la ventaja de generar menos ruido acústico que las bobinas de núcleo de hierro, eliminan el riesgo ambiental potencial del petróleo derramado y no se saturan en condiciones de falla transitoria de alta corriente . Esta parte de la planta también contendrá instrumentos para medir la corriente continua y el voltaje.
Para eliminar las interferencias de alta frecuencia se utilizan filtros especiales de corriente continua. Estos filtros son necesarios si la línea de transmisión va a utilizar técnicas de comunicación por línea eléctrica para la comunicación y el control, o si la línea aérea va a atravesar zonas pobladas. Estos filtros pueden ser filtros LC pasivos o filtros activos, que consisten en un amplificador acoplado a través de transformadores y condensadores de protección, que da una señal desfasada con respecto a la señal de interferencia en la línea, anulándola así. Este sistema se utilizó en el proyecto Baltic Cable HVDC.
Los transformadores convertidores aumentan la tensión de la red de alimentación de CA. Mediante una conexión de estrella a triángulo o " estrella-delta " de los devanados del transformador, el convertidor puede funcionar con 12 pulsos por cada ciclo en la alimentación de CA, lo que elimina numerosos componentes de corriente armónica. El aislamiento de los devanados del transformador debe estar especialmente diseñado para soportar un gran potencial de CC a tierra. Los transformadores convertidores pueden construirse con una capacidad de hasta 300 megavoltiamperios (MVA) como una sola unidad. No resulta práctico transportar transformadores más grandes, por lo que cuando se necesitan potencias mayores, se conectan varios transformadores individuales entre sí. Se pueden utilizar dos unidades trifásicas o tres unidades monofásicas. Con la última variante, solo se utiliza un tipo de transformador, lo que hace que el suministro de un transformador de repuesto sea más económico.
Los transformadores convertidores funcionan con pasos de potencia de alto flujo en los cuatro pasos del convertidor por ciclo y, por lo tanto, producen más ruido acústico que los transformadores de potencia trifásicos normales. Este efecto debe tenerse en cuenta al elegir la ubicación de una estación convertidora de HVDC. Se pueden utilizar envolventes que reduzcan el ruido.
Cuando se utilizan convertidores conmutados por línea, la estación convertidora requerirá entre el 40% y el 60% de su potencia nominal como potencia reactiva. Esta puede ser proporcionada por bancos de condensadores conmutados o por condensadores síncronos , o si hay una estación generadora de energía adecuada ubicada cerca de la planta inversora estática, por los generadores de la central eléctrica. La demanda de potencia reactiva puede reducirse si los transformadores convertidores tienen cambiadores de tomas en carga con un rango suficiente de tomas para el control de voltaje de CA. Parte de la demanda de potencia reactiva puede ser suministrada por los componentes del filtro de armónicos.
Los convertidores de fuente de voltaje pueden generar o absorber energía reactiva y real y, por lo general, no se necesitan equipos de energía reactiva adicionales.
Los filtros armónicos son necesarios para la eliminación de las ondas armónicas y para la producción de potencia reactiva en las estaciones convertidoras conmutadas por línea. En las plantas con seis convertidores conmutados por línea de pulsos, son necesarios filtros armónicos complejos porque se producen armónicos impares de los órdenes 6 n + 1 y 6 n - 1 en el lado de CA y armónicos pares de orden 6 n en el lado de CC. En las estaciones convertidoras con 12 pulsos, solo se producen tensiones o corrientes armónicas del orden 12 n + 1 y 12 n - 1 (en el lado de CA) o 12 n (en el lado de CC). Los filtros están ajustados a las frecuencias armónicas esperadas y consisten en combinaciones en serie de condensadores e inductores.
Los convertidores con fuente de voltaje generalmente producen armónicos de menor intensidad que los convertidores conmutados por línea. Como resultado, los filtros de armónicos suelen ser más pequeños o pueden omitirse por completo.
Además de los filtros de armónicos, también se proporcionan equipos para eliminar señales espurias en el rango de frecuencia de los equipos portadores de la línea eléctrica en el rango de 30 kHz a 500 kHz. Estos filtros suelen estar cerca del terminal de corriente alterna del transformador inversor estático. Consisten en una bobina por la que pasa la corriente de carga, con un condensador en paralelo para formar un circuito resonante.
En casos especiales, se pueden utilizar exclusivamente máquinas para generar potencia reactiva. Esto se lleva a cabo en la terminal de la central hidroeléctrica Volgogrado-Donbass de la central hidroeléctrica Volga .
El cuadro de distribución de corriente alterna trifásica de una estación convertidora es similar al de una subestación de corriente alterna. Contendrá disyuntores para la protección contra sobrecorriente de los transformadores convertidores, interruptores de aislamiento, interruptores de puesta a tierra y transformadores de instrumentos para control, medición y protección. La estación también tendrá pararrayos para proteger el equipo de corriente alterna de las sobretensiones producidas por rayos en el sistema de corriente alterna.
El área necesaria para una estación convertidora es mucho mayor que la de un transformador convencional; por ejemplo, un sitio con una potencia de transmisión de 600 megavatios y una tensión de transmisión de 400 kV es de aproximadamente 300 x 300 metros (1000 x 1000 pies). Las plantas de menor tensión pueden requerir un área de tierra algo menor, ya que se necesitaría menos espacio libre alrededor de los equipos de alta tensión al aire libre.
Las estaciones convertidoras producen ruido acústico. Las estaciones convertidoras pueden generar niveles importantes de interferencias de radiofrecuencia, por lo que deben incluir características de diseño para controlar estas emisiones. Las paredes pueden proporcionar protección contra el ruido. Al igual que con todas las subestaciones de CA, se debe evitar que el aceite de los equipos contamine las aguas subterráneas en caso de derrame. Puede ser necesario un área considerable para las líneas de transmisión aéreas, pero se puede reducir si se utilizan cables subterráneos.
