Redes de corriente multimedia. Nuevos retos a superar
Autor: José Antonio Morales Sánchez | Cargo: Jefe de proyectos I+D, Departamento Técnico GPTech | Publicado en: InfoPower
La demanda de consumo eléctrico actual del planeta necesita de nuevos métodos para ser satisfecha. Actualmente, las redes convencionales de AC (Alternating Current) están llegando al límite de su capacidad para abastecer a toda la población. El eterno debate entre AC y DC (Direct Current) vuelve a estar en boga. La utilización de redes de DC para el transporte de la energía se presenta como una solución a este problema global. Sus ventajas, tales como mayor eficiencia, mejor calidad de la señal, mayores distancias de transporte energético, posibilidad de usar cable submarino y subterráneo para acortar distancias y reducir costes, facilidad de integración de energías renovables, etc., hacen muy prometedora su explotación. Sin embargo, muchos son los retos que aún quedan por superar.
La evolución de las tecnologías de fabricación de semiconductores hace que éstos tengan cada vez mejores prestaciones. La utilización de nuevos materiales para la elaboración de estos dispositivos expande los límites de su uso. Así, los tradicionales métodos de fabricación basados en Silicio (Si) están dando paso a materiales como el Carburo de Silicio (SiC) o el Nitruro de Galio (GaN). Esto permite abrir nuevas fronteras, al tiempo que posibilita el manejo de mayores potencias a frecuencias de conmutación más elevadas con unas necesidades de refrigeración menores a las actuales. La implementación de nuevas técnicas de control que exploten al máximo las capacidades de estos elementos, esenciales para la fabricación de los convertidores, es clave para el aprovechamiento de las capacidades de estos semiconductores.
Los sistemas VSC-HVDC (Voltage Source Converter - High Voltage Direct Current) son aquéllos que utilizan un enlace en DC para la transmisión energética a alta tensión. Los actuales sistemas VSC-HVDC instalados están concebidos punto a punto, donde un punto de generación abastece a un punto de consumo. De este modo, si el enlace de DC falla por cualquier causa, el abastecimiento queda cortado. Esto hace necesario encontrar soluciones que añadan robustez al sistema, puesto que sería intolerable una falta de suministro de una ciudad por este motivo. Surge así la necesidad de crear una red para generación y consumo multiterminal, de forma que ante una falta en un enlace cualquiera, el resto de la red sea capaz de asumir el fallo y se garantice el suministro. Esto supone uno de los mayores problemas a resolver de esta tecnología puesto que, al tratarse de corriente continua, es muy delicado desconectar el sistema causante del problema del resto de la red sin parar el funcionamiento de la misma. Hasta la fecha, el desarrollo de seccionadores en corriente continua —conocidos en inglés como DC breakers—, capaces de realizar esta desconexión en caliente a unos niveles de tensión y corriente muy elevados, está en una fase carente aún de madurez y únicamente se han desarrollado soluciones con unos costes muy elevados y escasos proveedores.
GPTech, compañía pionera en el desarrollo de dispositivos de electrónica de potencia que utilizan la tecnología más avanzada para suministrar nuevas soluciones al sector de las energías renovables, está haciendo grandes esfuerzos en este campo, marcando dentro de sus objetivos el desarrollo de nuevas soluciones más eficaces, fiables y baratas. GPTech estudia nuevas topologías y estrategias de control que faciliten la creación de una red paneuropea robusta y segura, capaz de abastecer la necesidad energética del continente, con múltiples puntos de generación, distribución y consumo energético conectados entre sí.
GPTech está desarrollando su propio convertidor VSC-HVDC, basado en una topología modular. Esto permite una fácil escalabilidad de la solución para potencias elevadas y aborda, de esta manera, el problema de una topología adecuada que permita solventar el problema anteriormente mencionado relativo a la respuesta ante una falla producida por cortocircuito en el enlace de continua. La compañía persigue, asimismo, los objetivos de reducción de coste de fabricación y mantenimiento de este tipo de convertidores, asegurando a la vez su funcionamiento en condiciones extremas.
El sistema control, como se ha comentado anteriormente, es un importante foco de estudio, donde GPTech aporta toda su experiencia previa en el desarrollo de sistemas de control propios para sus equipos. Los problemas presentados en estos sistemas VSC-HVDC y las necesidades de control a nivel de módulo hacen que el enfoque desde el que se desarrollan los algoritmos de control cambie y se ajuste a las necesidades presentes, poniendo especial atención a la respuesta del control ante fallos para que el equipo actúe consecuentemente.
Al profundizar en el problema de la aparición de corrientes de cortocircuito por una falta en alguna parte del circuito, encontramos que para las redes convencionales de AC existen dispositivos tales como seccionadores, interruptores, disyuntores, contactores, relés, etc., con múltiples proveedores en el mercado. Éstos ofrecen todo tipo de soluciones capaces de aislar físicamente la parte del circuito causante del fallo de una manera sencilla, rápida y barata, gracias a los pasos por cero que la propia naturaleza sinusoidal de la señal AC tiene. Es precisamente en los pasos por cero cuando estos elementos realizan la desconexión física de la parte causante del problema, ya que es en ese punto en el que no existe diferencia de potencia entre bornas de dispositivo y, por lo tanto, cuando desaparece el riesgo de que surjan arcos voltaicos, potencialmente peligrosos y dañinos para el equipo.
Estos pasos por cero no ocurren en DC, lo cual hace mucho más complicada la desconexión sin que peligre la integridad del equipo. ¿Cómo solucionar entonces este problema? Los seccionadores de continua son elementos costosos y pocos fabricantes ofrecen una solución que sea interesante en términos de coste y espacio, lo cual redunda en más coste. Encontrar una topología apoyada por un control eficiente que elimine la necesidad de uso de estos dispositivos supondrá una revolución.
Las topologías multinivel existentes para los convertidores VSC-HVDC implementan celdas formadas por semipuentes o puentes completos de IGBTs con un diodo en antiparalelo. La utilización de semipuentes es la solución que utiliza un menor número de semiconductores y, por lo tanto, la más barata a nivel de celda. Sin embargo, no ofrece protección frente a cortocircuito producido en el lado de DC ya que, aunque los semiconductores interrumpan el paso de corriente, ésta seguirá encontrando en su camino los diodos en directa, por los cuales podrá circular libremente. Se hace necesaria, de este modo, la utilización de los elementos de corte anteriormente nombrados, lo cual comprometerá el coste del equipo. No obstante, si las celdas se construyen con puentes completos, éstas se encarecerán, pero ofrecerán la ventaja de extinguir el fallo de cortocircuito cualquiera que sea el sentido de la corriente, porque al abrirse los semiconductores, la corriente siempre se va a encontrar un diodo en inversa que impida su libre circulación, lo que a nivel de equipo completo ahorra el coste de los seccionadores. En la imagen superior, se muestran los caminos que la corriente sigue en cada caso. Por un lado, se aprecia la libre circulación de la misma en el caso de los semipuentes para el sentido especificado. Por otro lado, se visualiza cómo los diodos impiden ese flujo de corriente en el puente completo: permiten la circulación de la corriente por los condensadores, sea cual sea su sentido, y que ésta se extinga en las resistencias de ecualización que están colocadas en paralelo a ellos.
Actualmente, se están estudiando topologías que combinen ambas opciones, dando como resultado topologías híbridas que aprovechan las ventajas de ambas y que buscan un compromiso óptimo entre coste y seguridad para el equipo.
GPTech aporta su experiencia de más de diez años en la fabricación de todo tipo de convertidores para diferentes necesidades y en la creación de nuevos algoritmos de control que saquen todo el partido de los mismos, con el fin de aprovechar las ventajas que ofrecen los avances tecnológicos en los nuevos dispositivos empleados para la conmutación. La búsqueda de soluciones innovadoras para adaptarse a las nuevas necesidades es siempre un objetivo para la empresa. El mercado potencial que ofrecen estos sistemas HVDC hace especialmente interesante la dedicación de esfuerzos que den como resultado una revolucionaria y novedosa solución, buscando la optimización de todos los elementos del sistema, desde a nivel de celda, pasando por el ensamblado de las mismas, hasta a nivel de operación del control del equipo.
La concienciación a nivel europeo de la creación de una red continental de abastecimiento, procedente de la generación a partir de recursos naturales, con el objetivo de una reducción del 20% de emisiones de CO2 a la atmósfera en los próximos años; el importante papel que España juega en ese escenario como un país con una enorme cantidad de recursos naturales que aprovechar, no sólo por sí mismo como un país pionero en la inversión para el aprovechamiento de energías renovables para la generación energética, sino además como puerta de enlace con el norte de África y su ingente cantidad de energía solar; y la idoneidad del uso de sistemas HVDC para la integración de esta generación en la red hacen que GPTech dedique esfuerzos considerables para ofrecer una solución innovadora y competitiva, y que sitúe a la empresa en una posición privilegiada respecto a la competencia presente en el sector.
