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1. (WO2018119528) SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA USANDO CORRIENTE CONTINUA
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SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA USANDO

CORRIENTE CONTINUA

Antecedentes de la invención

La transmisión de energía eléctrica, es un desafío propio del mundo moderno, y vital para todas las industrias así como para la vida diaria en la ciudad o fuera de ellas. Por lo tanto, no solamente la generación de energía eléctrica es un desafío constante, sino que también su transmisión y su distribución.

Es de público conocimiento que la transmisión de energía eléctrica entre dos puntos muy distantes y para altas potencias, requiere del uso de corriente continua. Esto también es válido para largos tendidos a través de cables subterráneos o submarinos, dado que la corriente alterna no permite más de 40 kilómetros de distancia de transmisión. En Europa, por ejemplo, hay muchos tendidos submarinos de más de 200 kilómetros, uniendo continentes y países.

En este contexto, un problema técnico reconocido cuando se intercambia potencia eléctrica entre dos sistemas de corriente alterna, a través de un lazo de corriente continua, es que los dos sistemas de corriente alterna sufren por un lado: a) Inyección de corrientes armónicas que interfieren con otros equipos conectados a los sistemas de corriente alterna; b) Variaciones de voltaje en el punto de conexión con el sistema de corriente alterna. Sin embargo, el sistema propuesto y que se busca proteger, no conlleva las anomalías anteriores, dado que se producen corrientes perfectamente senoidales (sin distorsión armónica), en el punto de conexión con los dos sistemas corriente alterna. Además en dichos puntos de conexión se produce un voltaje constante y estabilizado, a través de la inyección adecuada de potencia reactiva.

La teoría clásica soluciona los problemas técnicos detallados en los puntos anteriores de la siguiente manera: por un lado para evitar la inyección de corrientes armónicas a los sistemas de corriente alterna, se utilizan típicamente

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filtros pasivos. Por otra parte, para evitar las variaciones de voltaje en el sistema de corriente alterna se utiliza una inyección adecuada de potencia reactiva, lo que permite estabilizar el voltaje mencionado. Sin embargo, la solución de los dos aspectos anteriores es complejo tanto en los estudios computacionales que ello conlleva como también desde el punto de vista del costo y tamaño de los equipos a implementar.

De acuerdo a lo anterior, los requerimientos presentes no solucionados por el estado de la técnica es: a) Evitar los estudios computacionales que implican el diseño de los filtros pasivos; b) Simplificar la inyección de potencia reactiva ajustable, tanto desde el punto de vista del costo como del tamaño de los equipos a implementar.

En resumen, es deseable disponer de: un sistema de transmisión de energía eléctrica que:

* Permita transmitir corriente eléctrica entre dos puntos muy distantes entre sí;

Permita transportar la corriente eléctrica por líneas aéreas, o de manera subterránea o submarina;

s No tenga límites de potencia eléctrica y de voltaje de transmisión;

Comprenda medios para la generación de corrientes senoidales en el lado de corriente alterna de los convertidores;

Permita evitar la inyección de corrientes armónicas a los sistemas de corriente alterna adyacentes, que interfieren con otros equipos conectados a dichos sistemas de corriente alterna;

Que comprenda medios para la inyección de potencia reactiva (en un nivel adecuado) evitando las variaciones de voltaje en los sistemas de corriente alterna, es decir, permitir lograr un voltaje constante en las barras de corriente alterna.

Que logre un rendimiento superior al 98%.

Al revisar el estado de la técnica, es posible vislumbrar que éste soluciona algunos de los problemas detallados anteriormente, y en caso de hacerlo, lo logra de una manera muy compleja, muy cara y presentando, además, considerables limitaciones de potencia.

Para corregir las corrientes que no son senoidales, la tecnología clásica propone generalmente el uso de filtros pasivos para "limpiar" la señal y dejarla con forma senoidal. Estos filtros permiten que la "basura" se desvíe, puesto que los filtros "ofrecen" a la corriente una baja impedancia. De esta forma, los filtros pasivos "limpian" armónicos a distinta frecuencia y a distinta fase. Asimismo, para el problema técnico de las variaciones de voltaje, dichas tecnologías clásicas inyectan potencia reactiva o absorben potencia reactiva al sistema, logrando estabilizar el voltaje.

En los últimos 10 años han aparecido nuevas tecnologías (lideradas por las multinacionales Siemens, ABB y Alstom), que fácilmente resuelven el problema armónico y la estabilización del voltaje en las barras de los sistemas de corriente alterna, sin embargo, dichas soluciones presentan la desventaja de no permitir la transmisión de más de 350 kV, además usan miles de interruptores controlados on line, lo que complejiza enormemente el control del sistema. La presente invención, al igual que los sistemas clásicos de corriente continua, permiten operar en magnitudes de voltaje de transmisión de hasta 1200 kV, sin embargo, se ha implémentado una tecnología muy simple en costo y tamaño, para producir corrientes perfectamente senoidales (sin distorsión armónica), en el punto de conexión con los dos sistemas corriente alterna y además, en dichos puntos de conexión se produce un voltaje constante y estabilizado, a través de la inyección adecuada de potencia reactiva.

Al revisar el estado del arte, éste revela por ejemplo el documento nacional Registro N° 48489, del mismo titular de la presente invención, que presenta un aparato para disminuir la distorsión de las corrientes que alimentan los rectificadores CA/CC. Sin embargo, el sistema contenido en dicho documento no presenta interruptores que den forma a las corrientes correspondientes, no resultando posible la obtención de ondas senoidales. Contrariamente a lo

anterior, la presente invención sí logra tal efecto. Dicho documento tampoco presenta una configuración tal que permita aumentar considerablemente el rendimiento de todo el sistema.

Por otro lado, el documento CN101507080A, de los Señores ABB TECHNOLOGY LTD revela un filtro de corriente continua para sistemas de transmisión HVDC. Sin embargo el sistema de transmisión de energía propuesto en ese documento, tiene claros límites de potencia eléctrica, así como manifiestos límites de voltaje. Dicho documento tampoco comprende medios para la generación de corrientes senoidales en el lado de corriente alterna, y por lo tanto tampoco logra evitar la inyección de corrientes armónicas que interfieren con otros equipos conectados al mismo sistema de corriente alterna.

En definitiva, el estado del arte, no ofrece una solución efectiva al problema técnico planteado.

Descripción resumida de la invención

Se presenta un sistema de transmisión de energía eléctrica usando corriente continua, que permite intercambiar potencia eléctrica entre dos sistemas de corriente alterna, sin límites de voltaje de transmisión y con un voltaje estabilizado y sin inyección de corrientes armónicas en las barras de los sistemas de corriente alterna. Asimismo, permite transmitir energía entre dos puntos geográficos distantes entre sí, y en todo caso entre puntos que se encuentren a distancias mucho mayores a las técnicamente posibles hoy en día, usando incluso cableado subterráneo y/o submarino. Este sistema presenta además ventajas técnicas y económicas importantes respecto de los sistemas convencionales. Asimismo, la invención permite transmisión de energía eléctrica, sin límites de potencia eléctrica. En efecto, a diferencia de los sistemas existentes no tiene límites de voltaje, lográndolo por una parte, a través de un lazo de corriente continua que mediante la generación de

corrientes senoidales en el lado de corriente alterna, permite evitar la inyección de corrientes armónicas que interfieren con otros equipos conectados al mismo sistema de corriente alterna; y por otra parte, a través de la inyección de potencia reactiva (en un nivel adecuado) evitando así las variaciones de voltaje en el sistema de corriente alterna, es decir, presentando un voltaje constante y estabilizado en las barras de corriente alterna.

Descripción detallada de la invención

Los principales factores que hacen del sistema de transmisión de energía eléctrica de la presente invención, una solución real a los problemas técnicos planteados, corresponden a:

Que permite transmitir corriente eléctrica entre dos puntos muy distantes entre sí;

* Que permite transportar la corriente eléctrica por aire, o de manera subterránea o submarina;

Que no tiene límites de potencia eléctrica a transmitir, debido a que no tiene límites de voltaje;

Que comprende medios para la generación de corrientes senoidales en el lado de corriente alterna;

s Que permite evitar la inyección de corrientes armónicas que interfieren con otros equipos conectados al mismo sistema de corriente alterna; Que comprende medios para la inyección de potencia reactiva (en un nivel adecuado) evitando las variaciones de voltaje en el sistema de corriente alterna, es decir, permite lograr un voltaje constante en las barras de corriente alterna;

s Que logra un rendimiento de más de un 98%.

Para facilitar la comprensión de las características del sistema de la presente invención, se describen las siguientes figuras.

Figura 1 : muestra una configuración circuital del arte previo

Figura 2: muestra una configuración circuital de la etapa rectificadora CA/CC Figura 3: muestra las formas de onda de las corrientes Isi y Is2

Figura 4: muestra el detalle de como los interruptores Si y S2 dan forma a las corrientes Isi y Isa-Figura 5: muestra un gráfico de como forman la corriente a través de las corrientes Isi and Is2

Figura 6: muestra un interruptor Si real.

Figura 7: muestra tres modos operacionales de la conformación de elementos mencionada

Figura 8: muestra las formas de onda obtenidas cuando se implementa el circuito de la Fig. 2

Figura 9: muestra un esquema completo del sistema autónomo de la presente invención.

Figura 10: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Point to Point en el lado rectificador.

Figura 11 : muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Point to Point" en el lado inversor.

Figura 12: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Back to Back" en el lado rectificador.

Figura 13: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Back to Back" en el lado inversor.

Figura 14: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Point to Point en el lado inversor.

Figura 15: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Point to Point en el lado inversor.

Figura 16: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Back to Back en el lado inversor.

Figura 17: muestra un sistema de transmisión de energía HDVC Back to Back en el lado inversor.

En la figura 1 , se muestra una modalidad de la tecnología actualmente conocida y, en particular la tecnología HDVC PLUS, en la que, con el objetivo de evitar el uso de utilizar filtros pasivos, por una parte se emplean una multiplicidad de interruptores con el fin de segmentar el voltaje, y por otra parte el condensador almacena cada uno de estos segmentos de voltaje con el elevado costo asociado debido a que comprende en muchos casos cerca de 1200 interruptores o switches y otros 600 condensadores. Este circuito presenta la necesidad de controlar cada uno de dichos interruptores en tiempo real y unidades de tiempo en el orden de los nano segundos, lo que complejiza aún más dicha solución para lograr el objetivo de disminuir los armónicos. Además, la tecnología HDVC PLUS también presenta límites de voltaje de alrededor de los 350 KV, límite que la presente invención logra superar con creces.

Como se menciona en los párrafos anteriores, la tecnología de la presente invención interconecta dos sistemas de corriente alterna a través de un lazo de corriente continua. El lazo de corriente continua presenta ventajas técnicas y económicas para grandes distancias de transmisión de energía eléctrica, y en particular a través de cable submarino o subterráneo. Asimismo, no se descartan otras aplicaciones posibles de la presente invención tales como el mejoramiento técnico de grandes motores de molinos utilizados en la minería.

La Fig. 2 muestra el circuito en una modalidad de la presente invención, para transformar la corriente alterna en corriente continua (etapa rectificadora). La etapa inversora es similar y será descrita en los siguientes párrafos.

Asimismo, cabe señalar que en la Fig. 2 los interruptores electrónicos Si y S2 dan forma a las corrientes lSi e Is2, de forma tal que las corrientes lA, IB e le en el lado de corriente alterna resulten "perfectas" ondas senoidales. De esta manera se evita la inyección de corrientes armónicas al sistema de corriente alterna del lado rectificador, evitándose interferencias con otros equipos cercanos.

La Fig. 3 en tanto, se muestran las referencias usadas para darle forma a las corrientes Isi e Is2.

La Fig. 4 ilustra como los interruptores electrónicos Si y S2 dan forma a las corrientes lSi e Is2- En el punto A el interruptor se abre y la corriente decrece. Después de que la corriente cruza el punto B empieza un conteo de tiempo ti y cuando este tiempo finaliza el interruptor se cierra y la corriente se incrementa. El proceso se repite y la corriente es forzada a seguir la referencia. A través de reducir los tiempos ti and t2 la corriente sigue más cercana su referencia.

La Fig. 5 muestra el efecto de las corrientes Isi and Is2 en la forma de la corriente . Los condensadores a la izquierda de la Fig. 1 evitan que algunas corrientes armónicas de alta frecuencia de la corriente (si existieran), penetren el sistema de corriente alterna. También, a frecuencia fundamental dichos condensadores son importantes para la inyección de potencia reactiva ajustable al sistema de corriente alterna y así proveer una buena regulación de voltaje en el punto de conexión al sistema de corriente alterna.

La Fig. 6 muestra el interruptor Si real (ver Fig. 2), el cual está constituido por una conformación de 2 interruptores (Sa y Sb), 2 diodos (Da y Db), y un condensador C. Esta conformación de elementos es necesaria porque reduce enormemente las pérdidas energéticas en el interruptor Si.

La Fig. 7 a su vez muestra los 3 modos operacionales de la conformación mencionada.

Se implemento experimentalmente, mediante un modelamiento computacional el circuito de la Fig. 2, lo que se refleja en la Fig. 7 que muestra las formas de onda obtenidas usando el instrumento digital Hioki 8835. Nótese la calidad obtenida en la corriente senoidal lAde la Fig. 2.

Algunos de los parámetros obtenidos en el experimento, los que se presentan como un ejemplo de aplicación, corresponden a:

✓ lA= 30 [A] (THD=1.25%)

✓ VA= 220 [V] (THD=1.20 %)

✓ VL= 483 [V] ; lL= 38 [A]

✓ η = 97.5 %

Máxima frecuencia de switcheo: 10 kHz (ventana de histéresis: 1.25 A)

Interruptores electrónicos SA y SB: NPT-IGBT Modules: SKM 75GAR063D; SKM 75GAL063D

✓ Condensador C: PT88BG104; 0.1 pF

En relación a las figuras 10 a 13, es posible mencionar que la tecnología HVDC Point to Point, se utiliza en el lazo de corriente continua cuando existe una línea de transmisión para trasladar grandes bloques de energía a grandes distancias. En una aplicación preferida, es posible posicionar en serie los puentes de tiristores, para maximizar el voltaje de transmisión y disminuir la corriente de transmisión (el producto del voltaje por la corriente es la potencia a transmitir). Así, como la corriente a transmitir por la línea es baja, luego las pérdidas en la línea son bajas.

Por su parte la tecnología HVDC Back to Back, es comúnmente utilizada para unir dos sistemas que operan con frecuencias diferentes. Un ejemplo práctico resulta ser, la necesidad de conectar el sistema de Brasil que funciona con 60 Hz, con el sistema argentino que funciona con 50Hz. Esta diferencia de frecuencias impide tener una línea de transmisión única sin un sistema que corrija o modifique esta diferencia. Para hacer frente a este problema, la tecnología clásica optó por la transmisión en corriente continua. Nuestra invención aborda, la transmisión de corriente continua, logrando trabajar grandes volúmenes de potencia, contrariamente a la tecnología existente. En particular, en una de sus modalidades preferidas, la invención propone una conexión en paralelo de los puentes para que éstos contribuyan a la

transmisión de corriente continua en valores elevados. Otro elemento relevante de esta conexión, es que una conexión en paralelo permite operar a bajo voltaje, contribuyendo en forma importante a la economía de recursos.

En resumen, visto que la corriente y el voltaje afectan la potencia que se puede transmitir, existen dos alternativas:

1) Cuando se necesita una línea de transmisión para transmitir energía a grandes distancias, por una parte la corriente es baja, con el fin de reducir las pérdidas en la línea y por otra parte el voltaje es alto con el fin de incrementar la potencia que se debe transmitir.

2) Cuando el intercambio de energía es local la corriente será alta y el voltaje será bajo, ello con el fin de reducir los costos de instalación y, la corriente se aumentará conectando en paralelo los puentes.

De acuerdo a dichas figuras, se desprende que la configuración requiere 4 switches o interruptores (Si , S2, S3 y S4), para cada una de las dos configuraciones (point to point y back to back). A su vez cada switch o interruptor (S1 , S2, S3 y S4), está compuesto de cinco elementos: 2 IGBT, 2 Diodos y un condensador.

En una última modalidad Figuras 14 y 15 se agregó un tiristor al lado de cada IGBT para disminuir pérdidas. Así cada switch o interruptor queda compuesto de seis elementos (2 diodos, 2 IGBT's y dos tiristores).

Asimismo, los circuitos del rectificador e inversor (tanto point to point como back to back), en el rectificador se usan diodos y en el inversor tiristores, en una modalidad pueden comprender solo tiristores, como se aprecia en las figuras 14 a 17.

En particular en la Figura 14, se presenta la configuración de un Lazo HDVC Point to Point en el lado rectificador considerando un desfase entre 0o y 90°. Asimismo, en dicha figura se presenta el diagrama circuital para el interruptor Si-

La Figura 15, en tanto presenta la configuración de un Lazo HDVC Point to Point en el lado inversor considerando un desfase entre 90° y 180°. En dicha Figura, se presenta el diagrama circuital para el interruptor S3.

La Figura 16, se presenta la configuración de un Lazo HDVC Back to Back en el lado rectificador considerando un desfase entre 0o y 90°. Asimismo, en dicha figura se presenta el diagrama circuital para el interruptor

Finalmente la Figura 17, se presenta la configuración de un Lazo HDVC Back to Back en el lado inversor considerando un desfase entre 90° y 180°. Asimismo, en dicha figura se presenta el diagrama circuital para el interruptor S4.

Luego de la descripción detallada de la presente invención en sus cuatro modalidades, en el próximo apartado se presenta el pliego de reivindicaciones con la categoría, con el detalle técnico de cada una de dichas modalidades.