Sistemas de transmisión para parques eólicos marinos

La conexión entre el parque eólico marino y la costa se puede hacer con tres tecnologías diferentes:

-AC (corriente alterna) de alto voltaje (HVAC);

-DC (corriente continua) de alto voltaje usando convertidores de línea conmutada (HVDC LCC);

-DC de alto voltaje utilizando convertidores de fuente de voltaje (HVDC VSC);

Cada una de estas tecnologías tiene ventajas y desventajas.

Transmisión AC de alto voltaje (HVAC)

Los sistemas de AC son el modo más común para transmitir energía eléctrica desde principios del siglo XX, y se utilizan en todo el mundo. Siendo el método más común de transmisión de energía, hoy todos los parques eólicos marinos utilizan HVAC para hacer la conexión entre el parque eólico y la costa.

Ventajas de HVAC:

-De las tres tecnologías, es la más barata;

-Tiene pocas pérdidas en distancias pequeñas;

-No necesita equipos auxiliares;

Desventajas de HVAC:

-Los cables submarinos generan grandes cantidades de potencia reactiva y esa potencia debe consumirse en los extremos del cable;

-Debido a la desventaja anterior y también debido a las pérdidas dieléctricas, no es posible utilizar la transmisión HVAC en largas distancias;

-Para grandes cantidades de potencia transmitida, es necesario utilizar varios cables en paralelo;

-Con el aumento del tamaño de los parques eólicos y la distancia a costa, las pérdidas de carga aumentan significativamente;

Un sistema de transmisión HVAC necesita el siguiente equipo:

-Tres cables XLPE HVAC de núcleo (se pueden usar varios cables en paralelo para transmitir grandes cantidades de energía);

-Subestación offshore (transformadores y compensación reactiva);

-Subestación en tierra (transformadores y compensación reactiva);

-Punto de conexión de AC (punto a donde fluye toda la energía del parque eólico);

Para distancias cercanas a costa (máximo 30 km) y dependiendo de la potencia transmitida, puede ser suficiente usar un transformador en tierra y, en algunos casos, puede que ni siquiera sea necesario usar ningún transformador (si el voltaje de la red es igual al voltaje del parque eólico).

• Cables

Los cables utilizados para la transmisión submarina HVAC son cables de tres núcleos con aislamiento de polietileno reticulado (XLPE). La principal diferencia entre estos cables y los viejos cables de papel impregnado de aceite (OIP) es el aislamiento. El aislamiento XLPE puede soportar temperaturas más altas, 90ºC en el conductor en estado estable y 250ºC en un cortocircuito de 3 segundos.

Además, las pérdidas de XLPE son significativamente más bajas que las de OIP, y dado que no utiliza aceite, es ecológico, fácil de instalar y requiere menos mantenimiento.

De sus componentes es importante tener en cuenta dos cosas:

-La fibra óptica, que se utiliza para comunicarse entre el parque eólico y el centro de gestión en la costa;

-El blindaje marino y el hilo de polipropileno, que tienen dos objetivos: proporcionar aislamiento eléctrico al cable y protección mecánica;

La mayor diferencia eléctrica entre cables y líneas aéreas es la gran capacidad de los primeros. Este fenómeno aumenta la potencia reactiva generada por los cables, disminuyendo su capacidad de transmitir potencia activa, especialmente a largas distancias.

Debido a esto, es necesario proporcionar una compensación reactiva en las extremidades de los cables.

Transmisión de CC de alto voltaje utilizando línea conmutada Convertidores (HVDC LCC)

HVDC LCC es una tecnología consolidada utilizada para transportar grandes cantidades de energía a largas distancias, a la coordinación de frecuencias o la conexión submarina. Fue utilizado por primera vez en Suecia en 1954 para conectar Suecia continental con la isla de Gotland.

Dado que la transmisión HVDC necesita un equipo auxiliar muy costoso, solo es económicamente viable cuando se transmiten grandes cantidades de energía a largas distancias.

Ventajas de HVDC LCC:

-Conexión asíncrona (la frecuencia puede ser diferente en cualquier extremo), lo que permite esquemas de control más avanzados de las turbinas eólicas;

-La distancia de transmisión no está limitada por pérdidas;

-Es posible controlar la dirección y la magnitud de energía;

-HVDC no transfiere corrientes de cortocircuito (el convertidor las bloquea);

-En comparación con la AC, un cable del mismo tamaño transporta más energía en CC;

-La electrónica de potencia permite un gran control de la potencia activa y reactiva, lo que permite una mayor participación de los parques eólicos en el control de voltaje;

-Los cables de CC tienen una vida útil más larga que los cables de AC;

Desventajas de HVDC LCC:

-No tiene un control independiente de la potencia activa y reactiva;

-No permite una black start-up;

-Produce grandes cantidades de armónicos que hacen necesario el uso de filtros grandes;

-Nunca se instaló un convertidor en alta mar;

Para usar un HVDC LCC es necesario tener el siguiente equipo:

-Transformador convertidor;

-Filtros DC;

-Filtros de corriente alterna;

-Reactor de alisado;

-Conjunto de potencia auxiliar (generador diesel);

-Una fuente de energía reactiva (STATCOM o bancos de condensadores);

-Válvulas: tiristores (para hacer el convertidor AC/DC y el inversor DC/AC);

-Cable DC;

• Cable DC

En este momento se utilizan dos tecnologías para fabricar los cables, los cables impregnados en masa (MI) (más comunes) y los cables rellenos de aceite (OF).

El MI consiste en un conductor de segmentos de capa de cobre trenzados cubiertos con papeles impregnados con aceite y resina, las capas internas son de papel cargado de carbono y las capas externas de telas tejidas con cobre.

Otras tecnologías que se pueden usar, pero que aún no son tan comunes son: cables XLPE y aislamiento de película delgada lapeada (LTFI).

Los cables XLPE son cables con un aislamiento de polietileno reticulado extruido (igual que los cables HVAC) alrededor de un conductor de cobre segmentario. Este aislamiento hace que el cable pueda soportar temperaturas de hasta 90ºC en estado estacionario, y así transportar mucha más energía que las tecnologías anteriores.

El LTFI utiliza una película delgada de PP en lugar de materiales impregnados. Este cable puede soportar hasta un 60% más de tensión eléctrica, por lo que es adecuado para cables submarinos muy largos y profundos.

Los cables también tienen vainas, cubiertas, armaduras y una capa de protección anticorrosiva de polietileno extruido para proteger el conductor y el aislamiento del ambiente exterior.

La tecnología está disponible para voltajes de hasta 500kV y una capacidad de transmisión de 800MW. El cable no tiene límites de longitud y su limitación es una temperatura máxima del conductor de 50ºC.

El conductor OF está aislado con papel impregnado con un aceite de baja viscosidad e incorpora un conducto longitudinal para transportar el aceite. Estos cables son adecuados para HVDC y HVAC, y pueden usarse para voltajes de CC de hasta 600kV. Debido al conducto de aceite, este cable tiene un límite de longitud de 100 km y es ecológico debido al riesgo de una fuga de aceite.

Transmisión de CC de alto voltaje utilizando convertidores de fuente de voltaje (HVDC VSC)

Con el descubrimiento del Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), se abrió un nuevo mundo de oportunidades para la transmisión HVDC. HVDC VSC es una tecnología reciente en la que los tiristores se sustituyen por IGBT, y solo estuvo disponible para su uso en aplicaciones comerciales hace unos años. Debido a su complejidad, solo dos compañías lo fabrican, ABB con HVDC Light y Siemens con HVDC plus.

Al igual que el HVDC LCC, esta tecnología se utilizó por primera vez en Suecia, en 1997. Era un sistema pequeño (3MW, ± 10kV), y se instaló principalmente para probar la confiabilidad de la tecnología.

Pero con el paso de los años, esta tecnología comenzó a utilizarse en otros proyectos: los principales son Direct Link en Australia (180MVA, ± 80kV), Murray Link en Australia (220MW, ± 150kV) y Cross Sound en EE. UU. (330MW, ± 150kV ) En este momento, HVDC VSC está vendiendo a tres voltajes: ± 80kV, ± 150kV y ± 300kV, y se esperan más avances en esta tecnología en los próximos años.

Esta tecnología tiene todas las ventajas de HVDC LCC y algunas más, pero también tiene tres grandes desventajas.

Ventajas de HVDC VSC:

-Todas las ventajas de HVDC LCC;

-Control independiente de la potencia activa y reactiva, lo cual es muy importante si el parque eólico está conectado a una red débil (con el aumento del tamaño de los parques eólicos; esta característica será vital);

-No requiere una fuente de AC para la conmutación, no necesita bancos de condensadores o STACOM al contrario del HVDC LCC;

-Necesita menos filtros que HVDC LCC;

-El convertidor es más pequeño que en HVDC LCC;

-Riesgo mínimo de fallas de conmutación;

-Esquemas multiterminales fáciles de implementar, porque la polaridad del lado CC es igual en modo rectificador e inversor;

-Es desacoplamiento de la red de AC;

-Nivel de voltaje fácil de controlar;

-Puede operar a una potencia muy baja, o incluso a potencia cero, solo transmitiendo potencia reactiva;

-Se puede usar para black start-up;

Desventajas de HVDC VSC:

-Debido a que utiliza IGBT, es mucho más caro que HVDC LCC;

-Las fallas de línea a tierra son muy problemáticas debido a los interruptores;

-Debido a la mayor frecuencia, las pérdidas son mayores que en HVDC LCC;

Para usar un HVDC VSC es necesario tener el siguiente equipo:

-Transformador;

-Reactores convertidores;

-Condensadores de CC;

-Filtros de AC;

-Filtros DC;

-Filtros de alta frecuencia;

-Válvulas (IGBT);

-Cable DC;

• Cable DC

En los sistemas HVDC VSC, los cables tienen un conductor de aluminio o cobre hecho de alambres redondos trenzados compactados, o en grandes áreas de sección transversal, capas concéntricas de alambres en forma de piedra angular.

Los cables submarinos también tienen aislamiento, cubierta metálica, cubierta, armadura y una porción externa de dos capas de hilo de polipropileno.

Source:

Ackermann T., “Wind Power in Power Systems”, Wiley, 2005



Ackermann T., Matevosyan J., “Wind Power Systems”, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2007

Barberis Negra N., “Evaluation of HVDC Solutions for Large Offshore Wind Farms”, Master Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, January 2005

http://www.abb.com