Una estación convertidora 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 corriente continua en corriente alterna o viceversa. Además del conversor , la estación suele contener:
El convertidor suele instalarse 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 en línea . En los convertidores basados en tiristores, muchos tiristores están conectados en serie para formar una válvula de tiristor, y cada convertidor normalmente consta de seis o doce válvulas de tiristor. Las válvulas de tiristores suelen agruparse en pares o grupos de cuatro y pueden colocarse sobre aisladores en el suelo o colgarse de aisladores en el techo.
Los convertidores de línea conmutada requieren voltaje de la red de CA para la conmutación, pero desde finales de la década de 1990, los convertidores de voltaje han comenzado a usarse para HVDC. Los convertidores de voltaje utilizan transistores bipolares de puerta aislada en lugar de tiristores, y estos pueden proporcionar energía a un sistema de CA desenergizado.
Casi todos los convertidores utilizados para HVDC son intrínsecamente capaces de operar con conversión de energía en cualquier dirección. La conversión de energía de CA a CC se llama rectificación y la conversión de CC a CA se llama 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 suele oscilar entre 0,1 H y 1 H. El reactor de alisado puede tener un núcleo de aire o un núcleo de hierro. Las bobinas con núcleo de hierro parecen transformadores de alto voltaje llenos de aceite. Las bobinas suavizadoras de núcleo de aire se parecen, pero son considerablemente más grandes, a 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 con núcleo de hierro, eliminan el peligro ambiental potencial del derrame de petróleo y no se saturan en condiciones de falla transitoria de alta corriente . Esta parte de la planta también contendrá instrumentos para medición de corriente continua y voltaje.
Se utilizan filtros especiales de corriente continua para eliminar las interferencias de alta frecuencia. Dichos filtros son necesarios si la línea de transmisión utilizará técnicas de comunicación por línea eléctrica para comunicación y control, o si la línea aérea atravesará áreas pobladas. Estos filtros pueden ser filtros LC pasivos o filtros activos, compuestos por un amplificador acoplado a través de transformadores y condensadores de protección, que da una señal desfasada a la señal interferencial en la línea, anulándola. Un sistema de este tipo se utilizó en el proyecto Baltic Cable HVDC.
Los transformadores convertidores aumentan el voltaje de la red de suministro de CA. Utilizando una conexión estrella-triángulo o " estrella-triángulo " de los devanados del transformador, el convertidor puede funcionar con 12 pulsos por cada ciclo en el suministro de CA, lo que elimina numerosos componentes armónicos de la corriente. 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 hasta 300 megavoltios amperios (MVA) como una sola unidad. No es práctico transportar transformadores más grandes, por lo que cuando se requieren capacidades mayores, se conectan varios transformadores individuales entre sí. Se pueden utilizar dos unidades trifásicas o tres unidades monofásicas. En esta última variante sólo se utiliza un tipo de transformador, lo que hace más económico el suministro de un transformador de repuesto.
Los transformadores convertidores funcionan con pasos de potencia de alto flujo en los cuatro pasos del convertidor por ciclo, por lo que producen más ruido acústico que los transformadores de potencia trifásicos normales. Este efecto debe considerarse al ubicar una estación convertidora HVDC. Se pueden aplicar recintos reductores de ruido.
Cuando se utilizan convertidores conmutados de línea, la estación convertidora requerirá entre el 40% y el 60% de su potencia nominal como potencia reactiva. Esto puede ser proporcionado por bancos de condensadores conmutados o por condensadores síncronos , o si hay una estación generadora de energía adecuada cerca de la planta inversora estática, los generadores de la central eléctrica. La demanda de potencia reactiva se puede reducir si los transformadores convertidores cuentan con cambiadores de tomas en carga con un rango suficiente de tomas para el control de la tensión alterna. Parte del requisito de potencia reactiva se puede suministrar en los componentes del filtro de armónicos.
Los convertidores alimentados por voltaje pueden generar o absorber energía reactiva y real, y generalmente no se necesita equipo de energía reactiva adicional.
Los filtros de armónicos son necesarios para la eliminación de las ondas armónicas y para la producción de potencia reactiva en estaciones convertidoras conmutadas de línea. En plantas con seis convertidores conmutados de línea de pulsos, se necesitan filtros de armónicos complejos porque hay armónicos impares de orden 6 n + 1 y 6 n - 1 producidos en el lado de CA y armónicos pares de orden 6 n en el lado de CC. En estaciones convertidoras de 12 impulsos sólo se producen tensiones o corrientes armónicas del orden de 12 n + 1 y 12 n - 1 (en el lado de CA) o 12 n (en el lado de CC). Los filtros están sintonizados a las frecuencias armónicas esperadas y constan de combinaciones en serie de condensadores e inductores.
Los convertidores alimentados por voltaje generalmente producen armónicos de menor intensidad que los convertidores conmutados en línea. Como resultado, los filtros de armónicos son generalmente 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 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, puede ser posible utilizar exclusivamente máquinas para generar la potencia reactiva. Esto se realiza en la terminal de HVDC Volgogrado-Donbass situada en la central hidroeléctrica del Volga .
El equipo de conmutación de corriente alterna trifásico de una estación convertidora es similar al de una subestación de CA. Contendrá disyuntores para protección contra sobrecorriente de los transformadores del convertidor, interruptores de aislamiento, interruptores de puesta a tierra y transformadores de instrumentos para control, medición y protección. La estación también contará con pararrayos para proteger el equipo de CA contra sobretensiones en el sistema de CA.
El área requerida para una estación convertidora es mucho mayor que la de un transformador convencional; por ejemplo, un sitio con una capacidad de transmisión de 600 megavatios y un voltaje de transmisión de 400 kV es de aproximadamente 300 x 300 metros (1000 x 1000 pies). Las plantas de bajo voltaje pueden requerir algo menos de área de tierra, ya que se requeriría menos espacio libre alrededor de los equipos de alto voltaje al aire libre.
Las estaciones convertidoras producen ruido acústico. Las estaciones convertidoras pueden generar niveles graves de interferencia de radiofrecuencia, por lo que se 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 el agua subterránea en caso de un derrame. Es posible que se requiera un área considerable para las líneas de transmisión aéreas, pero se puede reducir si se utiliza cable subterráneo.
