Autor:
Kumar V. Mahtani Mahtani
Profesor Ayudante en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial, Universidad Politécnica de Madrid.
La transmisión en corriente continua de alta tensión (HVDC, por sus siglas en inglés) ha revolucionado el transporte de energía eléctrica a largas distancias. Esta tecnología ofrece una serie de ventajas sobre la transmisión en corriente alterna (HVAC), especialmente cuando se trata de distancias largas o de la interconexión de redes de distintas frecuencias. En este artículo, exploraremos cómo funciona la transmisión HVDC, sus principales ventajas y desventajas, los tipos de enlaces utilizados y algunos detalles técnicos sobre los convertidores involucrados.
¿Cómo funciona el sistema HVDC?
El sistema HVDC convierte la energía de corriente alterna (CA), generada en las plantas eléctricas, en corriente continua (CC) para su transporte a largas distancias, y luego reconvierte esta corriente continua nuevamente a corriente alterna en el extremo receptor para ser distribuida en la red. Este proceso de conversión se realiza mediante el uso de rectificadores y convertidores.
1. Conversión de CA a CC: En el extremo de generación, la energía en corriente alterna pasa por un rectificador, un dispositivo que convierte la corriente alterna en corriente continua. Los rectificadores son componentes clave en el sistema HVDC, y su función es asegurar una conversión eficiente de la energía para su transporte a largas distancias.
2. Transporte de Energía en CC: Una vez convertida en corriente continua, la energía viaja a través de las líneas de transmisión HVDC. Esta forma de transmisión tiene la ventaja de reducir las pérdidas de energía, ya que la corriente continua no sufre los efectos de la resistencia del conductor de la misma manera que la corriente alterna.
3. Conversión de CC a CA: En el extremo receptor, la corriente continua pasa por un inversor, que convierte la corriente continua nuevamente en corriente alterna para su distribución en la red eléctrica. Los inversores son esenciales para devolver la energía a la forma en que los sistemas de distribución de energía la utilizan comúnmente.
El sistema de conversión a través de rectificadores e inversores es clave para la efectividad del sistema HVDC. Estos dispositivos, aunque costosos, permiten una transmisión más eficiente, especialmente en líneas largas.
Ventajas de la transmisión HVDC
La tecnología HVDC tiene varias ventajas notables sobre la transmisión en corriente alterna, particularmente en distancias largas o cuando se interconectan redes con diferentes frecuencias:
Menores pérdidas de energía: La transmisión en corriente continua presenta menos pérdidas de energía en comparación con la corriente alterna, lo que la hace más eficiente, especialmente a distancias superiores a los 600 km en líneas aéreas o 50 km en cables subterráneos.
Reducción de costes en infraestructura: Aunque el coste inicial de los sistemas HVDC es alto debido a los equipos de conversión, el coste de las líneas de transmisión en sí mismas es más bajo en comparación con las líneas de corriente alterna. Además, se requieren menos conductores y aisladores, lo que reduce los costes operativos.
Interconexión de redes con diferentes frecuencias: Un aspecto importante de HVDC es su capacidad para interconectar redes que operan a diferentes frecuencias, sin que haya necesidad de sincronizar las frecuencias de ambas redes. Esto permite la conexión de redes que, de otra manera, no podrían compartir energía.
No hay pérdidas por efecto piel o proximidad: A diferencia de los sistemas HVAC, que experimentan pérdidas de energía debido al efecto piel (la tendencia de las corrientes alternas a concentrarse en la superficie de los conductores) y el efecto de proximidad (la influencia de la corriente en los conductores cercanos), los sistemas HVDC no están sujetos a estos fenómenos, lo que mejora la eficiencia en la transmisión.
Inconvenientes de la transmisión HVDC
A pesar de sus ventajas, la transmisión HVDC también presenta algunas desventajas:
Coste inicial alto: La principal desventaja de los sistemas HVDC es el alto coste inicial de las estaciones convertidoras (rectificadores e inversores), que son mucho más caros que los transformadores empleados en los sistemas HVAC.
Generación de armónicos: Los rectificadores y los inversores generan armónicos, que son distorsiones de la señal eléctrica que pueden afectar a otros equipos y sistemas conectados a la red. Para minimizar estos efectos, es necesario emplear filtros activos, lo que añade más costes al sistema.
Fallos en subestaciones de CA: Si ocurre una falla en la subestación de corriente alterna (por ejemplo, en el extremo de recepción), esto puede causar una interrupción en la transmisión de energía en el sistema HVDC. Esta dependencia de la subestación HVAC puede ser un inconveniente en situaciones de emergencia.
Tipos de enlaces HVDC
Existen varios tipos de enlaces HVDC, que se utilizan según las necesidades específicas del proyecto de transmisión:
Enlace monopolar: Este tipo de enlace utiliza un solo conductor de polaridad negativa y una ruta de retorno que generalmente es la tierra o el mar. Aunque es más económico, el enlace monopolar tiene limitaciones importantes, como el riesgo asociado con el uso de la tierra como retorno.
Enlace bipolar: El enlace bipolar utiliza dos conductores, uno positivo y otro negativo, con un sistema de retorno a tierra. Este tipo de enlace es más robusto, ya que si uno de los conductores falla, el sistema puede operar en modo monopolar, lo que garantiza que la transmisión de energía continúe. Es el tipo de enlace más común en los sistemas HVDC modernos.
Enlace homopolar: En este enlace, ambos conductores tienen la misma polaridad (generalmente negativa), y utilizan un sistema de retorno a tierra o metálico. Aunque es más económico, no se utiliza mucho hoy en día debido a problemas de estabilidad y eficiencia.
Convertidores en los sistemas HVDC
El núcleo de un sistema HVDC es el proceso de conversión de energía entre corriente alterna y corriente continua, que se lleva a cabo mediante rectificadores e inversores. Los rectificadores convierten la energía de corriente alterna a corriente continua, mientras que los inversores realizan el proceso inverso.
Rectificadores: Se utilizan principalmente en el extremo de generación de energía para convertir la corriente alterna a corriente continua. Los rectificadores más comunes en sistemas HVDC son los de electrónica de potencia, como los rectificadores de tiristores. Estos dispositivos permiten una conversión eficiente, pero generan armónicos que deben ser controlados mediante filtros.
Inversores: Al final de la línea de transmisión, los inversores convierten la corriente continua nuevamente a corriente alterna. Estos dispositivos son esenciales para asegurar que la energía transmitida a través de las líneas HVDC pueda ser utilizada por los sistemas de distribución convencionales. Al igual que los rectificadores, los inversores también generan armónicos que deben ser mitigados.
Los convertidores de tiristores son cruciales en este proceso, ya que permiten una regulación precisa del flujo de energía. Sin embargo, los sistemas más avanzados también emplean convertidores de IGBT (transistores bipolares de puerta aislada), que ofrecen un control más preciso y una mayor capacidad de sobrecarga, lo que mejora la eficiencia general del sistema.
Ejemplos de proyectos HVDC
Algunos ejemplos destacados de proyectos de transmisión HVDC incluyen:
- Xiangjiaba-Shanghai en China, que transporta 6.400 MW a través de una distancia de 2.071 km.
- Murraylink en Australia, un sistema de transmisión subterránea de 180 km.
- NorNed entre Noruega y los Países Bajos, con una interconexión de 580 km.
- NordE.ON 1 en el Mar del Norte, conectando plataformas marítimas con la tierra firme.
Estos proyectos muestran cómo la tecnología HVDC ha sido fundamental para mejorar la transmisión de energía, conectar redes eléctricas distantes y asegurar un suministro estable de energía en diferentes regiones del mundo.
Conclusión
La transmisión HVDC ofrece una serie de ventajas significativas, especialmente en la transmisión de energía a largas distancias. Aunque el coste inicial y los equipos involucrados pueden ser elevados, la reducción de las pérdidas de energía, la posibilidad de interconectar redes de diferentes frecuencias y la mayor eficiencia hacen de esta tecnología una opción cada vez más atractiva. Con el continuo avance de los convertidores y otros equipos electrónicos de potencia, es probable que la transmisión HVDC juegue un papel cada vez más importante en el futuro de la infraestructura energética global.
