Corriente continua en líneas de alta y extra alta tensión

La corriente alterna ha predominado en las redes eléctricas, y así sigue siendo. Pero a partir del desarrollo de la electrónica de potencia, la corriente continua en extra alta tensión viene a solucionar problemas de complejidad de redes de corriente alterna. Las redes de corriente alterna se volvieron muy complejas, muy malladas y tienen problemas de estabilidad, entre otros, que puede resolver de manera muy efectiva la corriente continua, como se verá en lo que sigue.

Los sistemas que están vinculados en corriente alterna se pueden vincular en continua, o se puede alimentar radialmente otro sistema con la posibilidad de tener un vínculo asincrónico con dos objetivos principales: adaptar la frecuencia (en alterna, interconectar redes de distinta frecuencia no es posible) o aislar fallas o problemas de estabilidad en redes aledañas.
Otra ventaja destacada es la posibilidad de operar sin un polo. La corriente alterna es trifásica y si se pierde una fase, no se puede seguir transmitiendo con las otras dos. En continua, en cambio, si se pierde un polo, aún hay posibilidad de seguir transmitiendo, se reduce a la mitad, pero no se pierde el vínculo.

Una cadena típica de HVDC puede considerarse con un generador en un extremo, línea de transmisión de alterna que llegan hasta la estación convertidora, un electroducto, otra estación convertidora para hacer la ondulación, la red de alterna de llegada, las líneas de distribución, y el otro extremo, los lugares de consumo.

Actualmente, en el mundo hay instalados sistemas HVDC por un potencia total de 317.721 MW, de los cuales 285.397 son de electroductos (95.705 km), y 32.324, de sistemas back-to-back. En proyecto, hay 56.230 MW (15.799 km).
Como se puede observar, esta tecnología tiene gran relevancia, sobre todo en países de grandes superficies, por el beneficio que significa para cubrir grandes potencias y grandes distancias. La proporción de potencia instalada HVDC en el mundo es la siguiente:

En el ranking de sistemas instalados de mayor potencia, llama la atención la aparición, en el séptimo lugar, de la instalación de Río Madeira, en Brasil (ver tabla 1).

La franja de servidumbre es el principal motivo de que la corriente continua implique un electroducto para unir dos regiones punto a punto. Para la misma potencia transportada, la cantidad de líneas en alterna es superior a la de continua. Mientras mayor sea la distancia que se necesita cubrir, mayor será el ahorro implicado.
Por otro lado, se sabe que la corriente alterna tiene un límite de distancia en la transmisión de potencia, por efecto de la reactancia de la línea según la fórmula 1.

[1] P = [(V_s V_r)/ X_L(l)] ∙ sen(δ)

Como se observa, la potencia depende de la longitud, por lo tanto, si se desea transmitir potencia en grandes distancias, es necesario colocar estaciones intermedias de maniobra y compensación. En corriente continua, este problema no existe. El sistema permite transmitir por largas distancias con un solo vínculo.
En continua hay pérdidas por efecto corona, porque depende del gradiente del potencial alrededor del conductor. Pero si bien ese efecto no se elimina, las pérdidas son menores. Las pérdidas joule son de corriente puramente resistiva, por lo que la corriente no se incrementa por el transporte de reactiva.
Una comparación entre alterna y continua se muestra la figura 1.
Las líneas rellenas no consideran las pérdidas, y la punteadas sí. Si se evalúa el costo con respecto a la distancia, mientras mayor es la distancia, más conveniente es la continua, es decir, realizar el electroducto y la interconexión con corriente continua. La pendiente depende de la franja de servidumbre, y llega un punto de conveniencia en el que para distancias mayores a ese punto, conviene económicamente trazar la línea de corriente continua.
La distancia del punto clave puede variar, pero está aproximadamente entre los 800 y los 1.000 km. Dependerá del nivel de tensión y de la potencia que se transmitirá. En países con grandes distancias entre fuente de generación y demanda, se convierte en una opción interesante.
Respecto de costos, un proyecto en alterna de 5.000 MW en una distancia de 1.400 km y con vida útil de 30 años, considera el total del costo, del cual el 34% son pérdidas, el 54% son costos de línea y el 12% son costos de estación transformadora. Pero para la misma potencia en corriente continua, con nivel de tensión de 500 kV, el costo total se reduce un 17% respecto de alterna, y los costos serán de 30% de pérdidas, 37% de línea y 33% de estaciones convertidoras. También en continua, pero con un nivel de tensión de 800 kV, los costos totales implican un 64% de lo que sería en alterna, de lo cual 36% se va en pérdidas, 25% de costos de línea y 39% de costos de la estación convertidora.

En la estación convertidora se necesita electrónica de potencia que realice la rectificación en un extremo para transmitir en corriente continua por la línea, y en el otro extremo, un esquema similar para realizar la ondulación. Entonces, se utilizan dos grandes tipos de tecnologías HVDC:

LCC es la considerada como clásica, y maneja altos niveles de tensión y potencia. VSC es la conocida como tecnología nueva o moderna, limitada a niveles de tensión, pero con la particularidad de no necesitar potencia reactiva del sistema. LCC toma un gran nivel de potencia reactiva del sistema, en el orden del 50 o 60% de la potencia activa transmitida, dado el principio de funcionamiento de un tiristor. Para lo que es multiterminal se suele recurrir a VSC y para punto a punto, LCC.

La bipolar es una de las configuraciones típicas. Tiene un polo por el que va la corriente y otro por el que vuelve, ambos conectados a un sistema de conversoras que toman de la red de alterna de un extremo, y con la posibilidad, a partir de electrodos de puesta a tierra, realizar un camino de retorno de la corriente en caso de que falle alguno de los dos polos (ver figura 2).
Otra configuración es la conversora back-to-back, que es la que está presente en la interconexión Argentina-Brasil a través de la conversora en Garabí (Brasil), de 2.100 MW instalados. El circuito de corriente continua es una fuente que inyecta una corriente en continua, que va por un polo, regresa por el otro y transmite potencia en ese sentido. La únicas pérdidas son las resistivas de la línea (ver figura 3).
Las variaciones de tensión deben estar limitadas. Y de hecho, la potencia de cortocircuito del nodo es inversamente proporcional a las variaciones de tensión, entonces mientras mayor potencia de cortocircuito haya, mejor será el nodo donde se interconecte la conversora, porque las variaciones de tensión estarán acotadas.
Otro punto que se debe evaluar a la hora de conectar una conversora es el nivel de ESCR (“Effective Short Circuit Ratio”), que tiene en cuenta la potencia reactiva, y en general se suele evaluar como potencia de cortocircuito sobre potencia activa a transmitir por el vínculo. Si el ESCR es mayor que 3 el nodo es muy fuerte; si es mayor que 2 y menor que 3, el sistema es moderadamente fuerte, y si es menor que 2, el sistema es débil, no aconsejable.

La estación convertidora cuenta con la llegada de la red de alterna, el sistema de barras, la aparamenta de seccionadores e interruptores, un campo para capacitores, filtro de armónicos, transformador para altas tensiones, sala de válvulas y la playa de continua (ver figura 4).
Es importante el sistema de enfriamiento. La electrónica de potencia genera gran calentamiento en las instalaciones, y esto requiere un sistema muy robusto de refrigeración, quizá duplicado o triplicado, porque termina siendo el núcleo vital del funcionamiento de la instalación.
En cuanto a electroductos, están las torres típicas con bipolos, estructuras autosoportadas de retención angular y de retención, o el cable subterráneo o submarino. En el caso de estos últimos, vale aclarar que la longitud de conveniencia está alrededor de los 40 km. En todo este artículo, se ha hablado siempre haciendo foco en redes aéreas.