Por Kati Sidwall, Simulation Specialist, Sales & Marketing | RTDS Technologies Inc.

RTDS Technologies de Canadá se focaliza en el uso de la simulación de transitorios electromagnéticos (EMT) en tiempo real y pruebas de hardware en bucle (HIL) para el diseño, integración, puesta en marcha, operación y solución de problemas de sistemas HVDC. Esta tecnología fue introducida por la canadiense a finales de la década de 1980 y hoy en día participa en casi todos los nuevos proyectos de HVDC. Los principales fabricantes de equipos y sistemas HVDC utilizan la simulación en tiempo real para las pruebas de aceptación de fábrica de sus controles. Por su parte, las empresas eléctricas y los operadores de sistemas eléctricos de potencia utilizan esta herramienta para apoyar la puesta en marcha y acompañar el funcionamiento de los enlaces HVDC. Las pruebas de bucle cerrado con un simulador en tiempo real son la mejor manera de verificar el desempeño dinámico de los controles HVDC antes de la instalación y de asegurarse de que funcionen de forma fiable durante toda la vida útil del proyecto.

Un esquema HVDC, integrado en el Sistema Eléctrico Nacional, no es solo otra línea de transmisión en el sistema de energía. Estos sistemas de transmisión se basan en dispositivos de electrónica de potencia y con controladores complejos que tienen un impacto relevante en el sistema de CA. A medida que los dispositivos FACTS y sistemas HVDC se vuelven más complejos y cercanos eléctricamente a otros sistemas basados en electrónica de potencia, es de vital importancia que los ingenieros comprendan íntegramente su comportamiento bajo una amplia gama de condiciones, incluyendo la forma en que interactúan con otros dispositivos pasivos y activos de la red. La simulación en tiempo real y las pruebas de hardware en bucle (HIL) permiten una comprensión completa del comportamiento de HVDC y el desempeño de sus esquemas de protección y control. Esto posibilita a los operadores anticipar vulnerabilidades y limitaciones en el funcionamiento del sistema HVDC. También proporciona formación realista y detallada para los operadores de sistemas.

Muchos operadores de enlaces HVDC poseen un «simulador de réplica». Este es un simulador en tiempo real que está configurado para ejecutar una simulación en el dominio electromagnético o EMT del enlace HVDC. El modelo incluye las líneas, los convertidores, componentes como filtros y transformadores, y una parte del sistema de energía del operador. El simulador está conectado físicamente a una réplica de los controles HVDC, una copia de los cubículos de control proporcionados por el fabricante. Los controles reales del sistema HVDC se instalan en el campo y la réplica se aloja en un entorno de laboratorio del responsable de la operación del sistema de energía o de la empresa propietaria del enlace. Esto le permite al operador del enlace HVDC una oportunidad única (y cada vez más crítica) para ejecutar una amplia variedad de pruebas en los controles de HVDC sin tener que interferir las condiciones en el campo. Estas pruebas ayudan a garantizar que el control y la protección de HVDC funcionan según lo esperado, ante diversos escenarios, permiten minimizar las interacciones negativas entre el esquema HVDC y otros componentes de la red y apoyan a que los operadores se familiaricen con la tecnología y su impacto en el sistema de energía. También son clave en la eliminación de riegos ante cualquier modificación que se realice en la estrategia de control o en la red del operador. En definitiva, ayudan a garantizar el funcionamiento seguro del enlace HVDC en el futuro.

La capacidad de probar los controles Kimal Lo Aguirre en un bucle cerrado con un modelo de la red del SEN proporcionaría varios beneficios, incluyendo la capacidad de garantizar que la protección y el control del enlace HVDC hará lo que se espera de él cuando se instala en el sistema de energía. También permite verificar que el control HVDC no interactuará con otros sistemas y responderá a condiciones transitorias de una manera segura. Los simuladores de réplica también se utilizan para apoyar el proceso de puesta en marcha y han acortado el tiempo de pruebas de varios proyectos HVDC en meses. Es importante destacar que esta herramienta proporciona una plataforma para explorar los cambios en los controladores para hacer frente a las mejoras de la red, como el repotenciamiento de las líneas o la adición de esquemas FACTS o de plantas de energía renovable al sistema. Además, permite la investigación detallada de las fallas en el sistema y la respuesta de los controladores. En ese sentido, no es solo una medida preventiva, sino también una medida de diagnóstico, proporcionando capacidades críticas de solución de problemas.

Los simuladores en tiempo real no tienen porqué limitarse a las pruebas de control de HVDC. También se pueden utilizar para proyectos colaborativos de investigación auxiliar para apoyar la investigación del sistema de energía a raíz de un proyecto HVDC u otra tecnología FACTS. La simulación en tiempo real también se puede utilizar para aplicaciones de protección de área amplia y convencionales, control de microredes, pruebas de inversores, ciberseguridad y aplicaciones más allá de HVDC. Este es un momento emocionante para la comunidad de sistemas de energía en Chile con el próximo proyecto Kimal Lo Aguirre y la creciente proporción de energía renovable en el sistema que hará necesario introducir nuevas formas de análisis de los sistemas de energía.

En conversación con el ingeniero eléctrico consultor especialista de HVDC en Brasil e India, John Graham, y quien fuera además el secretario del Working Group de CIGRE Internacional que publicó el Technical Brochure 388 “Impacts of HVDC lines on the Economics of HVDC Projects” (documento de referencia para el desarrollo de la primera línea de transmisión HVDC en Chile), respondió las siguientes preguntas:

¿Cuál puede ser la sobretensión inducida en el conductor de retorno metálico producto de una falla en uno de los polos? ¿Puede el voltaje del polo alcanzar valores de 1,7 pu dependiendo del punto de falla? ¿Cómo eliminamos esa sobretensión del DMR (Dedicated Metallic Return)?

Para una falla de tierra en un polo, la sobretensión transitoria en el polo sano puede alcanzar aproximadamente 1.7 pu, pero el aislamiento del polo está diseñado para soportar esta sobretensión. En el caso de sobretensiones transitorias en el conductor de retorno metálico, no tengo valores calculados, pero la probabilidad de descarga del aislamiento DMR es lo suficientemente alta como para ser necesario garantizar la extinción de arco. En el caso de una operación bipolar equilibrada, el arco se extinguirá cuando el polo defectuoso sea reenergizado, digamos unos 80 ms. Sin embargo, en el caso de una falla de polo permanente, la extinción del arco no es sencilla y depende del desarrollo del arco. Esto también es cierto para otros modos de funcionamiento y para un posible flashover del DMR debido a un rayo a la torre. Se requiere un estudio completo de la extinción de arcos para todos los modos de operación.

¿Hay experiencia que muestre el uso del cable de guardia como una línea de retorno o electrodo?

Cuando se propuso por primera vez el conductor de retorno metálico dedicado, se consideró el uso de cables de guardia y existe una referencia en el TB 388, pero esto no se ha utilizado en la práctica. En algunos esquemas tempranos de HVDC, el electrodo de tierra se instalaba, en una parte del trazado, en las torres principales de la línea HVDC como un cable de guardia, pero esto no es común.

Podría comentar sobre normas recientes o requisitos de diseño para líneas con alta contaminación y hielo.

Existen normas IEC para el nivel de contaminación y para los procedimientos de ensayo. Sin embargo, es necesario que el cliente seleccione el nivel y tipo de contaminación, incluyendo los indicadores ESDD y NSDD, además de otros requisitos, hielo en este caso. Luego se necesita encontrar un laboratorio que pueda realizar las pruebas. El caso más crítico que conozco fue el estudiado por STRI para un enlace cerca de la costa este de Canadá que requirió considerar hielo, hielo derretido, y con sal en algunos casos. Si los resultados de esa prueba (para 350 kV) se usaran para 600 kV, entonces se necesitarían más de 60 unidades de aislación en lugar de las 36 que sugiero para contaminación “moderada”.

Dada la cantidad de desafíos involucrados en el proyecto HVDC, ¿necesita Chile un centro de excelencia de HVDC?

Un gran enlace de transmisión HVDC, por su naturaleza, crea la necesidad de muchos tipos de excelencia, desde la planificación del sistema, pasando por el diseño, la fabricación y la puesta en marcha hasta la operación. Estas capacidades no necesitan estar concentradas en una sola entidad, pero es de gran valor desarrollarlas durante el proyecto. La capacidad de realizar estudios, comprender el diseño de equipos y ser conscientes de las múltiples interacciones de un proyecto HVDC es de especial importancia en países alejados de instalaciones establecidas que, en circunstancias más convenientes, pueden movilizar recursos para proporcionar apoyo cuando sea necesario.

Los dos grandes desafíos que existen en el proyecto Kimal Lo Aguirre según Hernán Casar, Director Técnico de CIGRE Chile, son el derecho de paso territorial de la línea HVDC y resolver los desafíos técnicos que significan el implantar una línea HVDC.

Obtener el derecho de paso territorial implica al adjudicatario efectuar un estudio multidisciplinario y cuidadoso de selección del trazado de la línea considerando los temas técnicos, sociales y medio ambientales. Para ello, se debe efectuar en forma temprana un estudio de línea base diferenciada por comunas y una gestión de permisos (Estudio de Impacto Ambiental, Concesión Eléctrica y Servidumbre, entre otros) muy cuidadosa y permanentemente monitorizada. La presencia constante de la empresa mandante en las comunidades, antes, durante y después de la construcción, es un imperativo. Según Casar, debiera haber un monitoreo y supervisión periódica de la autoridad respectiva del progreso de toda la gestión de permisos del proyecto.

Por otro lado, el segundo desafío es el técnico ya que a diferencia de los proyectos de HVAC, en los proyectos HVDC se requiere efectuar, en una etapa previa, estudios relevantes de integración de la nueva instalación a la red eléctrica que permitan dimensionar en forma más económica, y por lo tanto competitiva, las distintas soluciones. Además, se requieren otros estudios más profundos durante la etapa de la ingeniería de detalles, construcción y puesta en servicio de la instalación. Estos estudios toman tiempo, pero son absolutamente necesarios. Al respecto, se vislumbra como algo conveniente que la autoridad respectiva revise y adapte algunos aspectos de la regulación y reglamentación que podrían ayudar en parte a resolver estos desafíos y lograr disponer de esta instalación técnicamente adecuada, de costo razonable y en tiempo.

Un proyecto de estas características, señaló Gabriel Carvajal, socio CIGRE, significa movilizar una gran cantidad de recursos humanos: miles de trabajadores en múltiples puntos de trabajo, lo que requiere una intensa logística de instalación de faenas, movilizaciones y alimentación, entre otras. Es importante tener además en consideración aspectos de la cultura y motivación de los colaboradores. También, se requiere transportar una gran cantidad de equipos, muchos de gran volumen y peso, y planificar tempranamente las rutas y los puertos de llegada. En la zona norte, el problema podría ser menos crítico dada la preparación de la infraestructura para movilizar equipos de la minería. En el caso de obras en la zona centro, esto debe estudiarse con más detalle debido al alto tráfico de las vías y el peso de equipos que podrían llegar a 300 toneladas.

Según Carvajal, es muy importante despejar tempranamente el tema de permisos y servidumbre para que la construcción no se vea impactada fuertemente por la disponibilidad de terreno para las faenas. Los aspectos sísmicos debieran poderse despejar en la etapa de diseño en consideración de las normas sísmicas disponibles en Chile. Además, es importante que la empresa se dote de una estructura dedicada con equipos de relaciones con la comunidad, sostenibilidad y medio ambiente para anticiparse a los imprevistos y, cuando éstos surjan, se puedan atender oportunamente. También resulta relevante planificar desde las primeras etapas las funciones de operación y mantenimiento, especialmente en este proyecto con tecnología HVDC en consideración de la necesidad de preparar al personal con conocimientos y competencias que no existen en el país.

Por su lado, el presidente de CIGRE Chile, Gabriel Olguín, destacó que los estudios eléctricos son absolutamente necesarios para el diseño e integración del enlace HVDC al Sistema Eléctrico Nacional, SEN. El proyecto HVDC Kimal Lo Aguirre se convertirá en un controlador de todo el sistema eléctrico nacional. Se trata de una solución de transmisión basada en electrónica de potencia y control digital, un sistema que permite el transporte controlado de 3000 MW entre Kimal en el norte y Lo Aguirre en Santiago. Este sistema de transmisión es altamente controlable y operará en paralelo al sistema de 500 kV AC por lo que impactará a todo el sistema eléctrico nacional. A diferencia de las líneas HVAC, un sistema HVDC es inherentemente insensible a la frecuencia del sistema por lo que se requiere estudiar todos los modos de operación y todas las posibles condiciones operativas del sistema eléctrico nacional a objeto de diseñar y probar las estrategias de control.

“La NTSyCS es nuestro código de red que establece las reglas de comportamiento de todos los agentes que se conectan al sistema eléctrico nacional. La norma señala cuatro estados de operación del sistema eléctrico nacional, normal, alerta, emergencia y restaurativo. Cada estado está caracterizado por aspectos tales como rango de voltajes, frecuencias y reservas. Los estudios eléctricos simulan la operación y permiten evaluar el funcionamiento conjunto del sistema eléctrico nacional y el proyecto Kimal Lo Aguirre de modo que se satisfagan no solo los requerimientos de suficiencia en estado estable, sino además los aspectos dinámicos. Una convertidora HVDC LCC es altamente controlable, pero se requiere indicarle cómo queremos que se comporte en el sistema AC. Los estudios eléctricos permiten diseñar y verificar que la convertidora HVDC se comportará adecuadamente”, finalizó Olguín.

Por Felipe Andrews, Best Energy

Durante los días 15 y 16 de diciembre 2020, CIGRE Chile realizó una jornada técnica vía Zoom denominada “Desafíos del Proyecto HVDC Kimal Lo Aguirre”. La oportunidad de debatir sobre este tema en CIGRE Chile, se enmarca en la próxima construcción de la primera línea de transmisión en corriente continua en alta tensión en Chile, la que presenta importantes y novísimos desafíos técnicos, además de una enorme oportunidad de desarrollo y nuevas especialidades en el ámbito de la transmisión eléctrica. Inició la conversación John Graham, secretario del Working Group que dio origen al Technical Brochure 388 (Impacts of HVDC lines on the Economics of HVDC Projects) de CIGRE Internacional. Cabe destacar que este documento está siendo considerado como una referencia importante en el desarrollo de esta primera línea de transmisión HVDC en Chile. Su relato integró experiencias y recomendaciones asociadas al diseño de torres, derechos de paso, aislación, efectos corona y otros aspectos centrales para la ingeniería de la línea. Asimismo, comentó aspectos asociados al diseño de una línea bipolar con DMR (Dedicated Metallic Return) de las cuales, hasta la fecha, solo existen 4 casos en el mundo. Según Graham, este proyecto permitirá implementar y contar con ingeniería de punta en beneficio del país, que facilitará el uso de energías renovables y posibilitará avanzar en nuestro proceso de descarbonización con una operación capaz de responder a los grados de flexibilidad requeridos y con altos estándares de seguridad.

Por su parte, Marcos Czernorouki de ABB comentó sobre la importancia de los transformadores y aspectos relacionados con tamaño, diseño, confiabilidad y transporte, entre otros, que presentan un desafío logístico importantísimo por la envergadura que reviste esta infraestructura, tal como se ha registrado en aquellos proyectos de clase mundial como Itaipú y Río Madeiras.  De acuerdo a Czernorouki, el diseño debe considerar importantes efectos como es el caso de armónicos de corriente y tensión, corrientes continuas en el devanado, campos eléctricos en la aislación de sobrecargas y una operación con alto consumo de reactivos.  Naturalmente las pruebas de rutina, pruebas tipo y pruebas especiales, además de las de recepción, serán un gran desafío para las fábricas tal como el proceso de puesta en servicio, remarcó el representante de ABB.

En tanto, el Dr. Volker Hussennether, de amplia experiencia en investigación en HVDC en transmisión y distribución, responsable de la publicación del Technical Brochure 301 2019 (HVDC Design Aspects for DC Circuits with Dedicated Metallic Return using DC Overhead Lines), e ingeniero Líder Global de SIEMENS en HVDC, abordó precisamente la experiencia aplicada a líneas de transmisión HVDC con retorno metálico en el caso de Lo Aguirre, comentando las implicancias de una operación con energía renovable y mostrando los efectos de acoplamientos de voltaje, presencia de armónicos y resonancias, todo lo cual requiere del desarrollo de estudios especiales para responder a una operación con creciente base renovable.

Por su parte, las recomendaciones presentadas por André Balzi, responsable de desarrollo para proyectos HVDC y FACTS de GE para Latinoamérica, se orientaron al importante trabajo de especificaciones con el objeto de contar con un alto grado de seguridad y confiabilidad. Así, mencionó como puntos de atención las consideraciones relacionadas con la dirección de la potencia versus la potencia nominal, sobrecargas de potencia y corriente, variaciones de tensión, intercambio de potencia reactiva, secuencia negativa, ruido (contaminación) audible y factor de potencia, entre otros, en ejemplos aplicados a proyectos reales como en el caso de Río Madeira.

Cerró la conversación Katherine Sidwall, experta en simulación en tiempo real para proyectos HVDC, especialidad que permite un alto grado de análisis en el comportamiento del sistema y con ello anticipar necesidades de estabilidad para enfrentar condiciones transitorias, muchas de ellas mencionadas previamente por los demás panelistas.  Según Sidwall, la posibilidad de crear una gran cantidad de modelos, además de contar ya con otros utilizados en proyectos de clase mundial, permite simular diversos escenarios con el objetivo de anticipar diversas condiciones de calidad de servicio y ofrecer la seguridad requerida para el tipo de operación que exige una generación variable y el consumo de diversos sectores industriales.