B) Implementación del enlace HVDC
6.2 ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO ENTRE LOS SISTEMAS DE
6.2.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DOS SISTEMAS DE
6.2.1.1 Ambientales
Para poder instalar un sistema de transmisión HVDC, se debe tomar en cuenta el daño al medio ambiente, además del impacto visual, y los efectos en los seres vivíos que están relacionados con el campo electromagnético y el efecto corona. El campo eléctrico continua encontrado en los alrededores de las líneas de alta tensión, es producida generalmente por las cargas eléctricas en los conductores y, para el caso de las líneas aéreas de HVDC, por las cargas producidas al ionizarse el aire que rodea el conductor. El campo magnético continuo es producido por la corriente continua que circula a través de las líneas de transmisión. La ionización del aire se produce en las líneas HVDC forma nubes las cuales pueden desplazarse con el efecto del viento y llegar a estar en contacto con personas, animales y plantas que se encuentren lejos del derecho de vía (conocido también como derecho de paso o franja de servidumbre, por donde se llevan las líneas de transmisión). El efecto corona puede producir interferencias de radiofrecuencia, ruido audible y generación de ozono.
110
Figura 6.1 Derecho de vía para el caso de a) 500 kV y b) ±500 kV para transportar 3000 MW [2]. Para una misma transmisión de potencia, un sistema de transmisión HVDC requiere una menor necesidad de franja de servidumbre y torres más esbeltas ya que, a diferencia de lo ocurrido por HVAC, en corriente continua se requieren un menor número de líneas (generalmente 2 conductores) y por lo tanto, se necesita una menor resistencia mecánica en las torres, como se mencionó en el capítulo 3. Ver figura 6.1 y 6.2.
Figura 6.2 Comparación de las líneas de transmisión en CA y CD [2].
El campo magnético constante en los alrededores de la línea de transmisión es muy semejante al campo magnético producido en su forma natural por la Tierra. Por esta razón, es muy improbable que esta pequeña contribución de las líneas de transmisión HVDC al campo magnético de la Tierra puede ser preocupante de alguna forma.
Al igual que en el caso del campo magnético, el campo eléctrico estático experimentado debajo de las líneas hasta la franja de servidumbre no presenta
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efecto biológicos negativos. En la actualidad, no existe teoría o mecanismos que puedan verificar si los niveles de campo eléctrico producidos por las líneas HVDC tengan efectos negativos en la salud humana.
El efecto corona de las líneas de transmisión producen una pequeña contribución de ozono, la cual es del mismo orden de magnitud que el generado por procesos naturales.
En instalaciones monopolares con retorno por tierra, el campo magnético puede modificar la lectura de una brújula en las proximidades de la línea, lo cual se puede solucionar instalando un retorno metálico. Por otra parte, un retorno por tierra puede inducir una corriente en tuberías o conductores metálicos que se encuentren cerca de las estaciones de conversión, lo cual puede producir la oxidación o corrosión de estos elementos. Esto último es la principal razón por la cual el retorno por tierra puede estar restringida a solamente algunas horas de uso
6.2.1.2 Técnicas
Los parámetros capacitivos e inductivos de las líneas y cables en una transmisión CA establecen límites en cuanto al largo del enlace o en la capacidad de transmisión que se pueda tener. Estas limitaciones son particularmente importante al utilizar cables si es que se desea un sistema de transmisión subterráneo o bajo el mar, esto debido a que los cables son en general fuente de reactivos, lo que se acrecienta al aumentar su largo o el voltaje del sistema. Por el contrario, en la tecnología HVDC no existen tales limitaciones ya que estos sistemas no se encuentran afectados por la inductancia o capacitancia de las líneas o cables.
Un sistema HVDC permite la conexión entre dos sistemas de distinta frecuencia (o fase) o redes diferentes, las cuales no están sincronizadas por distintos motivos. Esto es imposible de realizar utilizando la transmisión clásica en corriente alterna debido, por ejemplo, a la inestabilidad que se produciría en los sistemas, a niveles
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de cortocircuito muy elevados o a que se podrían producir flujos de potencia no deseados.
La tecnología HVDC entrega una gran ventaja con respecto a la HVAC en cuanto a la posibilidad de poder controlar rápida y de forma segura la potencia reactiva entregada a un sistema.
La principal ventaja de la corriente alterna es la flexibilidad con que se pueden conectar cargas y estaciones de generación a lo largo de la ruta. Esto es especialmente importante si la ruta de transmisión pasa por un área muy poblada y si hay instalaciones de generación emplazadas en muchos puntos a lo largo de la ruta.
Otro inconveniente de la CA es la necesidad de terrenos y derechos de paso. Dado que la transmisión de CA no puede utilizar por completo la capacidad térmica de cada línea cuando ésta es muy larga, habrá que instalar una línea en paralelo.
6.2.1.3 Económicas
Una importante ventaja de la corriente directa de alta tensión (HVDC) es el bajo costo de transmitir potencias muy altas a distancias muy grandes, mientras que en la transmisión en CA el inconveniente es su costo, puesto que, se ha de construir una infraestructura eléctrica completa en paralelo a lo largo de la ruta.
Otra ventaja de la transmisión en CD es que las pérdidas son bastante bajas. Las pérdidas totales en la transmisión de energía a una distancia de 2.000 km por ejemplo, son del orden del 5%, y en CA estas pérdidas son sumamente grandes. Una ventaja más de la transmisión en CD es que se necesitan menos líneas, con menores requisitos de derecho de paso. Según se ha mencionado antes, por ejemplo: la transmisión de 12.000 MW se puede conseguir con dos líneas utilizando HVDC de 800 kV. Transmitir la misma potencia con 800 kV de CA requeriría ocho líneas.
113
El principal inconveniente del sistema HVDC es que la energía se transmite de un punto al otro y que es bastante caro construir estaciones de derivación (aunque esta solución es posible y ya se ha aplicado).
Para transmisión combinada de CA y CD, el principal inconveniente de HVDC es el elevado coste de la derivación de potencia a lo largo de la línea. Sin embargo, una combinación de transmisión masiva de energía HVDC, de bajo costo, en paralelo con una red de CA de menor tensión, podría resultar en muchos casos la solución óptima al proporcionar tanto bajo coste y alta flexibilidad como capacidad para abastecer a los clientes a lo largo de la ruta.
No obstante, existen algunos problemas técnicos con la solución combinada de CD y CA. Las perturbaciones en la transmisión de CD dispararán en muchos casos la conexión de CA, ya que los ángulos de fase se hacen demasiado grandes.
6.2.2 COSTO – BENEFICIO
Generalmente en cualquier proyecto de instalación los costos son variables que se consideran como las más importantes a la hora de escoger una tecnología u otra, en donde se toman en cuenta tanto los costos directos de una instalación (línea, estaciones conversoras, transformadores, etc.) y los costos indirectos (pérdidas capitalizadas de la línea). En general, en los sistemas HVDC los costos directos son mayores que en HVAC, en especial los costos de las estaciones conversoras y los transformadores. Esto se ve compensado con los menores costos de la tecnología HVDC en las líneas de transmisión (líneas y las torres) y en las pérdidas capitalizadas.
Se puede apreciar en la figura 6.3 mostrada que existe una distancia mínima donde comienza a ser económicamente conveniente utilizar un sistemas de transmisión HVDC, esto debido, principalmente, a que más allá de esta distancia las pérdidas producidas en corriente alterna comienzan a ser importantes, con un valor aproximado del 50% del costo total del sistema de transmisión. Para líneas aéreas,
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la distancia de quiebre va en el rango de 500 a 800 km, lo que depende de varios factores como, por ejemplo, los costos específicos de los distintos componentes del sistema, tasas de interés de cada proyecto, costos de las pérdidas, costos de la franja de servidumbre, etc. En el caso de cables la distancia es de 40 km o más. [2] Cabe mencionar que con el desarrollo de tecnologías en electrónica de potencia, estas distancias se van cada vez más reduciendo, no sólo por la cuestión económica sino las otras ventajas que tienen las HVDC.
Figura 6.3 Comparación costos contra distancia de los sistemas de transmisión en CD y CA [2]. A continuación se comparan los costos de transmitir 12.000 MW de CA y CD a una distancia de 2.000 km. El sistema HVDC de 800 kV proporciona el menor costo total y el punto óptimo está en la zona de menores pérdidas de la línea, como se muestra en la figura 6.4. [1]
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Figura 6.4 Costos de las estaciones convertidoras en el caso de transmisión en CC y subestaciones en el caso de transmisión en CA, líneas y pérdidas en función de las pérdidas de la línea. [1]
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6.3 CONCLUSIONES
Después del análisis de resultados y la información extra sobre las ventajas y desventajas entre un sistema y otro de CA y CD respectivos, podremos concluir que la implementación de enlaces de corriente continua, ofrece grandes beneficios para las interconexiones de sistemas y transmisión a grandes distancias, que la corriente alterna no puede ofrecer. Los sistemas HVDC permiten la conexión de dos sistemas de corriente alterna, sin el inconveniente de que propague los disturbios de uno a otro, sino al contrario, el enlace permite controlar la potencia que se transmite (como se vio en los casos al aumentar y disminuir la carga y generación), por lo tanto, le da estabilidad a los sistemas de CA conectados.
La mayor limitante de la tecnología HVDC son los costos, ya que en promedio, el precio es mayor que la transmisión de corriente alterna, aunque conforme se hace la línea más larga el precio disminuye significativamente, por lo ligera que es su línea de transmisión (número de conductores y torres más ligeras).
Aunque cabe aclarar que estos sistemas no vienen a sustituir la transmisión en CA, si no vienen a implementarse para mejorar dicha transmisión, ya que actúan como un refuerzo en los sistemas de transmisión en CA. Sin embargo, podremos generar un criterio, de cuando es mejor optar por la corriente continua que por la CA, tales casos son:
Cuando se tiene que conectar a un punto lejano de carga o generación.
Cuando los sistemas son asincrónicos, es decir, los sistemas tienen diferentes frecuencias.
Cuando se quiere enlazar dos sistemas que no son estables, el enlace HVDC mejora considerablemente su estabilidad.
Cuando se desea transmitir a través de mares u océanos, cables submarinos.
Cuando los cables subterráneos tienen una longitud considerable.
Con esto se puede decir que los sistemas de transmisión en CD son relativamente jóvenes, ya que solo tienen aproximadamente 60 años de haberse implementado, esto quiere decir que con el desarrollo de nuevas tecnologías estos sistemas se harán más económicos y consecuentemente se utilizaran más a menudo.
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APÉNDICE
Utilización del software de simulación
(Power World)
Primero se explicaran las diferentes opciones del programa Power World (P.W.), posteriormente se explicara la realización del sistema.
La pantalla de inicio es la que se presenta en la figura A.1, en la cual en la parte superior se presenta una barra, en la cual se presentan las siguientes opciones:
1. File: utilizada principalmente para guardar y abrir archivos
2. Case information: principalmente utilizada para navegar y ver toda la información del modelo que se está trabajando.
3. Draw: utilizado para dibujar nuevos diagramas unifilares o editar diagramas ya existentes. Muchas de las opciones de la pestaña Draw solo se pueden utilizar en el modo de Edición.
4. Onelines: utilizado cuando ya se creó un diagrama unifilar. Con esta pestaña se puede modificar la apariencia del diagrama unifilar.
5. Tools: con esta pestaña se da acceso a todas las herramientas de análisis de PowerWorld Simulator. Se utiliza cuando se realizan: flujos de potencia, análisis de contingencia, análisis de fallas, entre otros.
6. Options: todos los botones de esta pestaña están incluidos en las demás pestañas, sin embargo esta pestaña pone todas las opciones del software en un solo lugar.
7. Add ons: aquí se brinda acceso a todas las herramientas adicionales que posee el simulador, tales como: OPF, SCOPF, ATC, y PVQV. Si no se han adquirido estas herramientas aparecerán en gris y no se podrá acezar a ellas.