Estación convertidora HVDC

El convertidor se suele instalar 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 tiristor, y cada convertidor normalmente consta de seis o doce válvulas de tiristor. Las válvulas de tiristor suelen agruparse en pares o grupos de cuatro y pueden apoyarse sobre aisladores en el suelo o colgar de aisladores del techo.

Los convertidores conmutados por línea requieren tensión de la red de CA para la conmutación, pero desde finales de la década de 1990, se han empezado a utilizar convertidores de fuente de tensión para HVDC. Los convertidores de fuente de tensión utilizan transistores bipolares de puerta aislada en lugar de tiristores, y estos pueden suministrar energía a un sistema de CA desenergizado.

Casi todos los convertidores utilizados para HVDC son intrínsecamente capaces de operar con conversión de potencia en ambas direcciones. 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 suele incluir una bobina (denominada reactor ) que añade inductancia en serie con la línea de CC para suavizar la corriente continua. La inductancia suele oscilar entre 0,1 H y 1 H. El reactor de suavizado puede tener un núcleo de aire o de hierro. Las bobinas de núcleo de hierro tienen el aspecto de transformadores de alta tensión llenos de aceite. Las bobinas de suavizado de núcleo de aire se asemejan a las bobinas de choque de frecuencia portadora en las líneas de transmisión de alta tensión, pero son considerablemente más grandes, y están soportadas 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 de derrames de aceite y no se saturan en condiciones transitorias de alta corriente . Esta parte de la planta también contendrá instrumentos para la medición de corriente y tensión continuas.

Se utilizan filtros especiales de corriente continua para eliminar las interferencias de alta frecuencia. Estos filtros son necesarios si la línea de transmisión utiliza técnicas de comunicación por línea eléctrica para la comunicación y el control, o si la línea aérea atraviesa zonas pobladas. Pueden ser filtros LC pasivos o filtros activos, que constan de un amplificador acoplado mediante transformadores y condensadores de protección, el cual emite una señal desfasada con respecto a la señal de interferencia en la línea, cancelándola así. Este sistema se utilizó en el proyecto Baltic Cable HVDC.

Los transformadores convertidores elevan la tensión de la red de alimentación de CA. Mediante una conexión estrella-triángulo (o " estrella-triángulo ") de los devanados del transformador, el convertidor puede operar con 12 pulsos por 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 alto potencial de CC a tierra. Los transformadores convertidores pueden alcanzar hasta 300 megavoltamperios ( MVA ) como una sola unidad. No es práctico transportar transformadores de mayor tamaño, por lo que, cuando se requieren potencias mayores, se conectan varios transformadores individuales. Se pueden utilizar dos unidades trifásicas o tres monofásicas. Con esta última opción, solo se utiliza un tipo de transformador, lo que hace que el suministro de un transformador de repuesto sea más económico.

Los transformadores convertidores operan con altos flujos de potencia en las cuatro etapas del convertidor por ciclo, por lo que generan más ruido acústico que los transformadores de potencia trifásicos convencionales. Este efecto debe tenerse en cuenta al ubicar una estación convertidora HVDC. Se pueden utilizar envolventes insonorizadas.

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 suministrada por bancos de condensadores conmutados o condensadores síncronos , o, si existe una central eléctrica adecuada cerca de la planta inversora estática, por los generadores de la central. La demanda de potencia reactiva puede reducirse si los transformadores convertidores cuentan con cambiadores de tomas bajo carga con un rango suficiente de tomas para el control de la tensión alterna. Parte de la potencia reactiva requerida puede ser suministrada por los componentes del filtro de armónicos.

Los convertidores de tensión pueden generar o absorber potencia reactiva, así como potencia real, y generalmente no se necesita equipo adicional para la captación de potencia reactiva.

Los filtros de armónicos son necesarios para la eliminación de ondas armónicas y para la producción de potencia reactiva en estaciones convertidoras conmutadas por línea. En plantas con convertidores de seis pulsos conmutados por línea, se requieren filtros de armónicos complejos debido a que se producen armónicos impares de orden 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 estaciones convertidoras de 12 pulsos, solo se generan tensiones o corrientes armónicas de orden 12 n + 1 y 12 n - 1 (en el lado de CA) o 12 n (en el lado de CC). Los filtros se ajustan a las frecuencias armónicas esperadas y consisten en combinaciones en serie de capacitores e inductores.

Los convertidores con alimentación de tensión generalmente generan armónicos de menor intensidad que los convertidores conmutados por la red eléctrica. Por consiguiente, los filtros de armónicos suelen ser más pequeños o incluso 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 de transmisión por línea eléctrica, entre 30  kHz y 500  kHz. Estos filtros suelen ubicarse cerca del terminal de corriente alterna del transformador inversor estático. Constan de una bobina por la que circula 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, ubicada en la central hidroeléctrica del Volga .

El cuadro de distribución trifásico de corriente alterna de una estación convertidora es similar al de una subestación de corriente alterna. Incluirá interruptores automáticos para la protección contra sobrecorriente de los transformadores convertidores, seccionadores, seccionadores de puesta a tierra y transformadores de medida para control, medición y protección. La estación también contará con pararrayos para proteger los equipos de corriente alterna contra sobretensiones atmosféricas en el sistema.

La superficie necesaria para una subestación convertidora es mucho mayor que la de un transformador convencional. Por ejemplo, una instalación con una capacidad de transmisión de 600 megavatios y una tensión de transmisión de 400 kV ocupa aproximadamente 300 x 300 metros (1000 x 1000 pies). Las instalaciones de menor tensión pueden requerir una superficie menor, ya que se necesita menos espacio libre alrededor de los equipos de alta tensión instalados al aire libre.

Las estaciones convertidoras generan ruido acústico. Estas estaciones pueden generar altos niveles de interferencia de radiofrecuencia, por lo que se recomienda incluir elementos de diseño para controlar estas emisiones. Las paredes pueden proporcionar protección acústica. Al igual que con todas las subestaciones de corriente alterna, se debe evitar que el aceite de los equipos contamine las aguas subterráneas en caso de derrame. Es posible que se requiera una superficie considerable para las líneas de transmisión aéreas, pero esta puede reducirse si se utiliza cableado subterráneo.