Excitación de CA con ANPC

ConvertidoresExcitación de CAcon ANPCTecnología de convertidor ANPC adaptada a las necesidades del equipode excitación de CA para plantas de bombeo para reserva de energíaAndreas Hämmerli, Bjørn ØdegårdLa plataforma de convertidor PCS 8000 es un nuevo sistema modular de convertidoresbasado en la topología de convertidores ANPC (punto neutro activofijado). Combinada con una nueva generación de semiconductores de potenciadel tipo tiristor conmutado de puerta integrada (IGCT), esta nueva tecnologíaha aumentado la potencia de salida unitaria en comparación con los tiposactualmente en uso. Además, se obtiene una capacidad superior en corrientecontinua, con las consiguientes ventajas añadidas cuando hay que utilizarCC o CA de baja frecuencia.Es el caso de los equipos de excitación de CA de Varspeed Systems, cada vezmás empleados en las modernas centrales de bombeo de reserva de energía.En la actualidad se está construyendo una instalación de este tipo, con lanueva plataforma de convertidor PCS 8000, en la central de bombeo de reservade energía de Avče – Soške Elektrarne Nova Gorica en Eslovenia.40 Revista ABB 3/2008

Excitación de CA con ANPCConvertidoresDurante los pasados 10 años, elsemiconductor de potencia IGCTse ha venido utilizando ampliamenteen las aplicaciones de media tensión yalta potencia en el mercado industrialy de servicios. En la mayoría de estasaplicaciones, el IGCT sirve como conmutadorprincipal en un convertidorde fuente de tensión de tres niveles(3L-VSC). Como su nombre indica, latensión de salida del convertidor sepuede generar mediante la adecuadacombinación de tres niveles de tensión,como se muestra en 1 . El convertidorse ha utilizado mucho en lasaplicaciones de alta potencia, ya quese consigue una tensión de salidaelevada sin la conexión directa delos dispositivos semiconductores yse obtiene una corriente de salida derizado relativamente baja en comparacióncon la de un convertidor de dosniveles.El convertidor de tres niveles se llamatambién convertidor de punto neutrofijado (NPC). Este nombre se debe alos dos diodos conectados en antiparaleloque se emplean para “fijar”la tensión de salida en el puntoneutro del circuito de CC cuandose requiere el nivel de tensión nula.La dirección de la corriente de salidadetermina si la corriente en el puntoneutro discurre a través del recorridosuperior o inferior como se muestraen 2 .Tecnología del convertidor ANPCAl añadir dos conmutadores adicionalesen la conexión del punto neutro,se ha conseguido una interesantealternativa al convertidor NPC de tresniveles 3 . Con una estrategia adecuadade los conmutadores adicionalesdel punto neutro S5 y S6, la salida sepuede fijar “activamente” al puntoneutro del circuito de CC, y es estanueva característica la que da nombrea la nueva tecnología de convertidores:convertidor ANPC (punto neutroactivo fijado).La flexibilidad que proporcionan losconmutadores adicionales S5 y S6permite una distribución ventajosade la conducción y las pérdidas porconmutación en el convertidor. Lasventajas principales que tiene son lassiguientes:Corriente compartida entre los recorridosde la corriente en el punto neutroLos recorridos de la corriente en elpunto neutro del convertidor NPC sonunidireccionales 2 . La dirección dela corriente de carga determina elcamino que debe utilizarse. En el casode un convertidor ANPC, se puedeseleccionar el recorrido superior o elinferior según se desee 3 . Incluso enun funcionamiento en CC, la corrientese puede repartir por igual entredichos caminos. La mitad del tiempola corriente circula por el recorridosuperior y la otra mitad por el inferior.De esa forma se consigue un aumentodel 33 % de la capacidad de corrientede CC en comparación con la tecnologíaNPC.Distribución de las pérdidas deconmutaciónCuando se conmuta la salida haciaatrás y hacia adelante entre el puntopositivo y el neutro o entre el negativoy el neutro, los dispositivos quesoportan las pérdidas de conmutaciónen el convertidor NPC vienen determinadospor la dirección de la corrientede salida 4 . En 4 y 5 , el color rojoindica la circulación de corriente antesde que se produzca la conmutación,y el color azul, la circulación despuésde la transición de la conmutación.El dispositivo semiconductor rojo seestá desconectando y, en consecuencia,disipa las pérdidas de conmutaciónasociadas, en tanto que el dispositivoazul se está conectando.De nuevo, la posibilidad de que elconvertidor ANPC seleccione el recorridode la corriente en el punto neutropor el que debe circular la corriente desalida permite una mejor distribuciónde las pérdidas de conmutación dentrodel convertidor. En 5 se ve cómo S1disipa las pérdidas de conmutacióncuando se conmuta el recorrido de lacorriente superior del punto neutro,mientras que S2 lo hace cuando se seleccionael recorrido de corriente inferior.También puede mostrarse un repartosimilar de la disipación de pérdidaspara otras transiciones de conmutacióndel esquema de conmutación.Este efecto contribuye a aumentarconsiderablemente la potencia de salidaen el funcionamiento del rectifica-1 Un convertidor de fuente de tensión de tresniveles+0U =-2 Convertidor de fuente de tensión de puntoneutro fijado con recorridos de corrienteunidireccionales entre la salida de la fase yel punto neutroLs1Rcl1 Dcl1 S1 D1Cd1 Ccl1 D5 S2 D2Cd2 Ccl2D6 S3 D3Rcl2Ls2Dcl2S4 D43 Convertidor de fuente de tensión fijado alpunto neutro activo con trayectoria decorriente bidireccional entre la salida defase y el punto neutroLs1Rcl1 Dcl1 S1 D1Cd1 Ccl1 S5 D5 S2 D2Cd2 Ccl2D6 S3 D3S6Rcl2Ls2Dcl2S4 D44 Convertidor NPC: S1 únicamente puededisipar las pérdidas de conmutación cuandose conmuta de positivo a neutro.Ls1Rcl1 Dcl1 S1 D1Cd1 Ccl1 D5 S2 D2Cd2 Ccl2D6 S3 D3Rcl2Dcl2S4 D4Ls2Revista ABB 3/200841

Excitación de CA con ANPCConvertidoresdor y del inversor en comparacióncon la tecnología NPC.Módulo convertidor PCS 8000Se ha desarrollado un nuevo ANPCPEBB (componente básico de electrónicade potencia) que se basa en latecnología de convertidor ANPC. Incluyeramas bifásicas como se muestraen 6 , y es adecuado para su empleoen una configuración de puente H. Estenuevo PEBB incorpora asimismo nuevosdispositivos de semiconductoresIGCT con una mayor capacidad deapagado y una red de seguridad dv/dtpara un aumento adicional de la capacidadde apagado y una reducción delas pérdidas de conmutación.El ANPC PEBB se integra en el PCS 8000Power Module con valores como losque se indican a continuación:Tensión de salida: Un = 3600 VACrmsIntensidad de salida: In = 2600 AACrmsCapacidad deintensidad de CC: Idc = 2750 ADC5 Convertidor ANPC: S1 o S2 pueden disiparlas pérdidas de conmutación cuando seconmuta de positivo a neutro.a S1 está apagándose: la corriente de salidacircula a través del recorrido del puntoneutro superior7 presenta un ejemplo de un convertidorde frecuencia estático PCS 8000que incluye dos módulos de potenciaPCS 8000 en el rectificador (izquierda),y otros tres en el inversor (derecha).Por detrás de los módulos depotencia se puede ver una barra busde CC laminada, de muy baja inductancia,que conecta los módulos depotencia a la batería de condensadoresde enlace de CC intermedio en laparte inferior, detrás del bastidor delconvertidor.Centrales de bombeo de reserva deenergíaLas centrales de bombeo de reservade energía para optimización de lacobertura de la potencia máximadesempeñan un importante papel enlas redes públicas de todo el mundo.Estas centrales, no sólo alimentan lared con energía procedente de generaciónhidráulica, sino que tambiénbombean el agua para devolverla a lapresa, aumentando de esa forma ladisponibilidad de energía para lashoras punta. Una característica deesos sistemas es que la velocidad a laque se consigue el mayor rendimientodel bombeo es mayor en el modo debombeo que en el modo de generación.La velocidad óptima varía asimismocon la carga.independientemente de la condiciónde carga y del modo de funcionamiento.Se emplean máquinas deinducción con rotores bobinados enlugar de máquinas síncronas.En consecuencia, la velocidad delrotor se desvía de la velocidad síncronadada por la frecuencia de la redpública. Esto se consigue con el equipode excitación del sistema de accionamiento,que puede suministrar a losdevanados del motor de bombeo nosólo corrientes de CC, sino tambiéncorriente de CA de baja frecuencia (de0 a 50 Hz). De esta forma, la velocidaddel rotor no está ligada estricta-6 El ANPC PEBB es adecuado para el uso enuna configuración de puente H.Cd1Cd2Ls1Rcl1Rcl2Ls2Ccl1Ccl2Dcl1S5S6Dcl2D5D6S1S2S3S4D1D2D3D4En sistemas con turbinas Francis seutilizan cada vez más los sistemas develocidad variable para conseguir lamáxima eficiencia en toda la gama decondiciones de funcionamiento. Comosu nombre indica, estos sistemas puedenajustar la velocidad de la turbinadentro de unos límites, permitiendode esta forma que se trabaje con elrendimiento máximo de la turbina,b S2 está apagándose: la corriente de salidacircula a través del recorrido del puntoneutro inferior7 Convertidor de frecuencia construido con cinco módulos de potencia PCS 8000Ls1Rcl1Dcl1S1D1Cd1Ccl1S5D5S2D2Cd2Ccl2S6D6S3D3Rcl2Ls2Dcl2S4D442 Revista ABB 3/2008

Excitación de CA con ANPCConvertidores8 Esquema de un sistema de accionamiento de velocidad variable consistema de excitación PCS 8000 ACCuadroModos operativos controlados por el sistema deexcitación PCS 8000 AC:15,75 kV /50 HzYNiii d52 convertidorestrifásicosde3 niveles≈∼Circuitode CC= =3 convertidorestrifásicosde3 niveles≈∼200 MVA / 12,5 %15,75 kV / 50 HzASMModo degeneradorModo debombeoEnergía reactivaEnergía eléctrica que alimenta la red de 110 kVSincronización con la red (tensión, frecuencia)Control de la energía reactivaLa central bombea agua del río Soške a la presa superiorque se encuentra 500 m por encima de la centralArranque suave sin cargaControl de velocidad en el modo de bombeoSuministro o absorción de energía reactiva; este modono precisa aguaAdemás, el sistema de excitación de CA proporciona funciones importantespara garantizar un funcionamiento seguro:Protección contra sobretensiones en el rotor en caso de avería en la redProtección contra sobrecorriente en el rotorProtección contra sobrecalentamiento de los devanadosHay otras funciones para proteger los diversos módulos del sistema, la refrigeracióny también para actuar como alerta del propio sistema de control.mente a la frecuencia de lared pública, sino que se puedecontrolar, dentro del margende velocidades necesario,alrededor de la velocidadsíncrona impuesta por la frecuenciade la red.Además, el sistema disponede capacidad de control defrecuencia y potencia, tantoen el modo de bombeo comoen el de funcionamiento dela turbina, proporcionandoasí más oportunidades deservicio con los operadoresde sistemas de transmisión.Las centrales de reservahidráulica con bombeo convencionalsólo pueden hacer esto enel modo de turbina.En 8 se presenta un diagrama de unalínea de ese sistema de excitación.En este ejemplo, el convertidor defrecuencia estático está conectado alrotor mediante anillos deslizantes.La central de bombeo de reserva deenergía de Avče – Soške ElektrarneNova Gorica en Eslovenia, en construcciónen la actualidad, es un ejemplode una aplicación de este tipoque emplea un sistema de excitaciónPCS 8000 AC.La central, diseñada para una potenciade unos 180 MVA, se está conectandoa una red relativamente modesta:de 110 kV. Se debe cumplir lacondición de que la nueva central no9 Modelo tridimensional que muestra la instalación completa con untransformador de 11,6 MVA, un convertidor dentro de un contenedor,una unidad de refrigeración y sistemas auxiliares.afecte a la estabilidad de la tensión yla frecuencia de la red. De modo quese instalará una máquina asíncronamoderna de doble alimentación convelocidad variable y un convertidorPCS 8000 de ABB que alimentará surotor Cuadro .Sistema de excitación de CA para AvčeEl sistema de excitación está alimentadopor un transformador de 11,6 MVAconectado a la red de 110 kV. El convertidorestático se compone de unrectificador y un inversor conectadospor el enlace de CC 9 .El convertidor estático se encuentratotalmente dentro de un contenedorcon su panel de control, el sistema decontrol “on line” y un potente sistemade refrigeración para los semiconductores.Esta estructura modular reduceel tiempo de montaje, instalacióny puesta en servicio, yaque todas las funciones sepueden probar y ajustar enfábrica.Para más ofertas de productos IGCT deABB, véase “Un punto diminuto capazde cambiar el mundo” en la página 15 deeste número de la Revista ABB.Andreas HämmerliABB Automation ProductsAdvanced Power ElectronicsTurgi, Suizaandreas.haemmerli@ch.abb.comBjørn ØdegårdABB Automation ProductsTechnology and Development Power ElectronicsTurgi, Suizabjoern.oedegard@ch.abb.comReferencias[1] T. Brückner, T., y Bernet, S., (2001) “Loss balancingin three-level voltage source invertersapplying active NPC switches”, Proc. IEEE-PESC,Vancouver, Canadá, 1135–1140.[2] Apeldoorn, O., Ødegård, B., Steimer, P., Bernet,S., (2005) “A 16 MVA ANPC PEBB with 6 kAIGCTs” (Un ANPC PEBB de 16 MVA con IGCT de6 kA), Proc. IAS, Shangai.Revista ABB 3/200843