Didier Cottet, Bernhard Wunsch ABB Corporate Research Baden-Dättwil, Switzerland, didier.cottet@ch.abb.com, bernhard.wunsch@ch.abb.com; Göran Eriksson ABB Corporate Research Västerås, Sweden, goran.z.eriksson@se.abb.com; Wojciech Piasecki ABB Corporate Research Cracow, Poland, wojciech.piasecki@pl.abb.com; Gustaf Sandberg, Jenny Skansens ABB Grid Systems, HVDC Ludvika, Sweden, gustaf.sandberg@se.abb.com, jenny.skansens@se.abb.com
Los modelos validados de simulación de ABB reproducen con precisión subestaciones HVDC Light completas y su cableado asociado. Las investigaciones de EMC pueden realizarse de forma fiable durante las fases de diseño, puesta en servicio y operación, aumentando el tiempo de actividad y reduciendo costes.
La compatibilidad electromagnética (EMC) de los productos nuevos se determina para garantizar que los equipos, normalmente de electrónica sensible, funcionan según lo previsto en el entorno electromagnético en el que se encuentren. En paralelo, los dispositivos que conducen corriente no deberán emitir niveles inaceptables de energía electromagnética ni provocar interferencias a otros equiposo dispositivos electrónicos situados cerca o a una distancia específica.
En un flujo de trabajo típico, los expertos construyen prototipos de productos y miden la radiación electromagnética en cámaras anecoicas o reverberantes específicas. En la actualidad existen grandes instalaciones de pruebas de EMC que permiten alojar aeronaves enteras. Estas posibilidades no existen para las subestaciones HVDC Light® ni las instalaciones de media y alta tensión. En su lugar, tras la puesta en servicio, se realizan laboriosas y costosas mediciones de EMC. La realización de mediciones en esta etapa tardía limita drásticamente las opciones para implementar cambios en el diseño en caso de que surjan problemas de EMC durante el cumplimientode los requisitos. Además, en los emplazamientos suele haber perturbaciones electromagnéticas procedentes de otras fuentes, lo que puede dar lugar a resultados muy distorsionados y poco fiables.
ABB, pionera en HVDC Classic® durante más de 60 años, presentó la tecnología HVDC Light en 1997. Actualmente, HVDC Light desempeña un papel importante en las renovables, proporcionando una capacidad de transmisión de hasta 3000 MW. Siempre mirando al futuro, ABB aplicó los avances en la metodología numérica para abordar el diseño EMC en la fase más temprana posible del desarrollo del proyecto de una estación convertidora HVDC Light. Los modelos inteligentes de simulaciónde ABB, o gemelos digitales, reproducen las estaciones convertidoras completas, incluidas válvulas, sala de válvulas, reactores del convertidor, pasamuros, transformadores del convertidor, filtros de alta frecuencia (HF) y todo el cableado de los parques de CA y CC. Los gemelos digitales electromagnéticos permiten realizar de forma fiable una amplia gama de investigaciones relacionadas con EMC durante las fases de diseño, puesta en servicio y operación:
- Impacto de la conmutación de semiconductores en las características de perturbación HF
- Algoritmos de control y dimensionado del sistema (es decir, valores nominales de intensidad y tensión de la célula)
- Optimización y posicionamiento del filtro HF
- Variantes de diseño para componentes, colocación de los componentes, barra y disposición de los cables
- Eficacia del apantallamiento de la construccióndel edificio
Modelo de subestación: el gemelo digital
En 2014, ABB puso en marcha un proyecto para modelizar una estación convertidora HVDC y sus componentes mediante CST Microwave Studio® (MWS), una herramienta comercial numérica electromagnética (EM) de onda completa. Especialmente útil para el análisis rápido y preciso de los componentes de alta frecuencia, la CST MWS permite modelizar en 3D los sistemas, subsistemas y componentes, incluidos los edificios y buses HV →1.
Los componentes de la estación, tales como los transformadores de instrumentos, las funcionalidades de disyuntor y conversión de potencia, la topología del convertidor y los conmutadores, están conectados con el modelo 3D en una vista esquemática específica. Esta función permite una visualización rápida y precisa de los modelos complejos →2.
Metodología de modelización
El entorno de simulación CST, que está integrado en un flujo de trabajo sistemático específico, consta de procedimientos y herramientas para crear modelos de componentes para la fase de preprocesamiento y para analizar el resultado de la simulación durante la fase de postprocesamiento. Todos los modelos y submodelos pueden crearse en una fase temprana del diseño, normalmente significativamente antes de que los componentes físicos estén realmente disponibles, una ventaja crucial.
El modelo a nivel de sistema de toda la estación se excita →3 en las distintas ubicaciones físicas en las que se genera la perturbación HF real. Se inyecta una función de impulso de tensión que provoca a propagación de las corrientes HF dentro de la estación.
La respuesta al impulso que resulta de esta simulación del dominio temporal puede transferirse al dominio de la frecuencia, consiguiendo así un espectro de respuesta del sistema de banda ancha, que puede obtenerse para distintos puntos de observación, tales como, sondas de campo H y sondas de corriente. A continuación, las respuestas al impulso pueden convolucionarse con las formas de onda de conmutación reales del convertidor y procesarse con un modelo detector del receptor de interferencias electromagnéticas. Los resultados son directamente comparables con los valores obtenidos mediante mediciones de la radiación electromagnética en una instalación de convertidor real.
ABB empleó un solucionador numérico de matriz de líneas de transmisión con características específicas especialmente adecuadas para este tipo de simulación. Los modelos 3D soportan una combinación de estructuras 3D y los denominados cables delgados con secciones transversales mucho más pequeñas que el tamaño del elemento de malla utilizado habitualmente →3. Además, se pueden definir límites de componentes para aberturas, ranuras, etc. con vistas a simular eficazmente las propiedades de apantallamiento de las carcasas y los tipos de pared de las salas de válvulas que normalmente instalan las compañías eléctricas. Por último, el modelo 3D puede incorporar circuitos concentrados, a los que pueden conectarse submodelos de circuitos de componentes más complejos a través de puertos definidos por el usuario. Aquí pueden conectarse elementos de circuito concentrados y netlists complejas. Al combinar distintos tipos de representación de elementos concretos del sistema, se reduce la complejidad y las simulaciones son más eficientes en términos de tiempo.
No obstante, para ser una herramienta potente, las simulaciones deben reproducir con precisión las impedancias de alta frecuencia de los componentes en los parques CA y CC de las estaciones, por ejemplo, reactores del convertidor →4, transformadores del convertidor, pasamuros y transformadoresde instrumentos. La información detallada sobre la modelización de sistemas y componentes justifica su uso en la modelización de estaciones convertidoras [1,2].
04a. Un reactor con núcleo de aire. 
04b. Se muestra el patrón resultante del campo magnético simulado de un reactor de fase similar.
04. Las impedancias de alta frecuencia de un reactor con núcleo de aire se reproducen perfectamente.
Validación
Para influir en la realización del producto, la modelización inteligente se basa en mediciones físicas. ABB realizó muchas mediciones de alta frecuenciaa nivel de componente y sistema que permitieron validar los resultados de la simulación y confirmaron la idoneidad del gemelo →5.
05a. Validación de un transformador HVDC. 
05b. Las mediciones de la radiación EM se realizan en campo cercano dentro de un parque CA. 
05c. También se realizan mediciones de radiación EM en campo lejano, a 200 m de la estación convertidora.
05. El modelo de ABB está validado mediante mediciones de alta frecuencia en equipos y componentes.
La perturbación HF medida y simulada en campo cercano (dentro del parque de CA cerca del convertidor HVDC) →5b y en campo lejano (a 200 m del parque de CA) →5c concuerdan perfectamente en cuanto a la predictibilidad de los picos críticos →6.
Ventajas de diseño
El diseño y el rendimiento de la compatibilidad electromagnética se ven afectados por muchos parámetros a nivel de sistema. ABB no solo da respuesta a todos los retos de EMC, sino que mejora la EMC. Un modelo de simulación permite a las compañías eléctricas tomar decisiones de diseño EMC en la etapa más temprana posible. La capacidad de optimizar resultados tempranos en lugar de tardíos se traduce en importantes reducciones de costes y menores tiempos de inactividad. Esto contrasta con la tarea altamente problemática de implementar cambios una vez realizadas las mediciones críticas en el emplazamiento. Estos cambios, de poder hacerse, conllevan importantes costes y requieren la parada de las operaciones para llevar a cabo la reconstrucción necesaria.
Aplicaciones adicionales
Dado que entre los aspectos del diseño EMC se encuentran la disposición en la estación de los filtros, el apantallamiento y los conmutadores, el diseño de aparatos y el sistema de puesta a tierra,etc., ABB ha aplicado modelos de simulación EMC a estos productos, procesos y sistemas con el fin de mejorar su disponibilidad y fiabilidad →7.
Diseño del filtro EMC
El éxito de un producto a menudo depende de la rapidez con la que llega al mercado. Los filtros EMC son cruciales en este proceso: disponer de un filtro con el mejor diseño posible puede ahorrar tiempo durante la certificación y reducir los costes de producción. ABB investigó la optimización del diseño del filtros EMC en relación con los equipos de filtrado y la colocación de filtros en una estación convertidora HVDC. El campo magnético simulado a 5 MHz para la solución de filtrado inicial se diseñó sin la ayuda de simulaciones 3D →8a y se comparó con el de un diseño asistido por un modelo 3D. No es de extrañar que el filtro optimizado con el modelo 3D mostrara una reducción significativa en cuanto a amplitud del campo →8b.
08a. Distribuciones de los campos magnéticos antes de optimizar el diseño del filtro HF. 
08b. Distribuciones de los campos magnéticos después de optimizar el diseño del filtro HF.
08. Se sometieron a prueba las distribuciones de los campos magnéticos en una estación convertidora HVDC.
Además, se observaron reducciones similares a nivel de campo en todo el rango de frecuencias analizado.Y lo que es más importante, en un caso el uso del modelo de simulación 3D se tradujo en menores costes y una mejora significativa del rendimiento.
El diseño de filtro mejorado con el modelo 3D inteligente de ABB ofrece un mejor rendimiento a un coste potencialmente menor. Y lo que es más importante, el nivel de detalle disponible en la simulación 3D permite detectar posibles problemas de EMC en el futuro: se puede prever el rendimiento.
En el vertiginoso entorno actual de concursos y proyectos, a menudo hay que tomar decisiones sobre soluciones nuevas sobre la marcha. Los modelos que se aproximen mucho a su producto físico o planta gemela mejorarán en mucho la capacidad de tomar decisiones clave rápidamente y aportarán valor a una empresa.
El diseño del edificio y la instalación in situ realizados de forma correcta y eficiente, desde el principio, aportan un gran valor. El apantallamiento, en particular, es de vital importancia para el valor comercial. Los edificios tienen la función de evitar que las emisiones directas fuertes, que emanan de la estructura de las válvulas, lleguen al exterior. Para que el edificio de una convertidora HVDC funcione se requieren pasamuros, puertas, conductos de ventilación, etc., pero estos reducirán la eficiencia de apantallamiento del edificio al crear aberturas en el apantallamiento EMC o en la jaula de Faraday. Además, los revestimientos metálicos de las paredes, tales como paneles sándwich superpuestos con tratamientos superficiales estéticos y prácticos, no suelen tener contacto eléctrico. Incluir una ventana aparentemente pequeña puede reducir la eficacia del apantallamiento en órdenes de magnitud en un edificio por lo demás perfectamente diseñado. En la actualidad, los modelos de simulación 3D ofrecen la mejor oportunidad para optimizar los requisitos de apantallamiento en una fase temprana y traducir los requisitos a detalles prácticos, reduciendo así el riesgo de costosos y laboriosos trabajos de modificación en el emplazamiento en una fase posterior. Los requisitos de apantallamiento también pueden tener un importante efecto en la interferencia por radiación →9.
En consecuencia, ABB presentó dos modelos de simulación para el apantallamiento de la sala de válvulas: uno con requisitos estrictos y otro con requisitos relajados →9. La distancia entre los tornillos proporciona la conexión eléctrica entre los paneles de pared →10. En el caso de los requisitos estrictos de apantallamiento, esta distancia es un orden de magnitud menor que en los requisitos relajados. Las mayores diferencias se encuentran por encima de una frecuencia umbral de aproximadamente 2-3 MHz →9. Estos resultados, junto con los requisitos EMC y el profundo conocimiento de la susceptibilidad de los equipos a las perturbaciones electromagnéticas en ubicaciones próximas a la central, pueden permitir que las compañías eléctricas tomen mejores decisiones sobre los requisitos de apantallamiento.
Si bien se han tomado ejemplos de modelización de aplicaciones HVDC, se puede aplicar la misma metodología de simulación EMC a otras aplicaciones de media y alta tensión introducidaspor ABB, como FACTS, SVC Light® y Rail SFC Light®. ABB, en línea con su compromiso a largo plazo con la innovación en el sector eléctrico, seguirá introduciendo innovaciones como la tecnología HVDC Light de gemelos digitales para cambiar la forma en la que los productos se crean, ser ealizan y evolucionan. La capacidad de ABB para perfeccionar la EMC demuestra su compromiso con los clientes. Mejorar el tiempo de actividad de las centrales eléctricas aumentando la disponibilidad y fiabilidad de los componentes y sistemas críticos que pueden afectar al rendimiento electromagnético es solo una de las formas en las que ABB lo consigue en la actualidad.
Agradecimientos
Este artículo no habría sido posible sin las ideas, el esfuerzo y la dedicación del equipo de proyecto al completo y las partes interesadas. Los autores desean expresar su especial agradecimiento a: FilipGrecki, Arne Schroder, Pawel Kryczynski, Szymon Piela, Magdalena Ostrogorska, Celine Tigga y Olof Andersson.
Referencias
[1] D. Cottet, G. Eriksson,M. Ostrogorska,J. Skansens, M. Wunsch, F. Grecki, W. Piaseckiand O. Andersson, “Electromagneticmodeling of high voltagemulti-level convertersubstations,” in Proc.of the Asia-PacificIntl. ElectromagneticCompatibility (APEMC)Symposium, Singapore,14-17 May, 2018.
[2] B. Wunsch, D. Cottet,G. Eriksson, “Broadbandmodels of high voltagepower transformers andtheir use in EMC systemsimulations of highvoltage substations,” inProc. of the Asia-PacificIntl. ElectromagneticCompatibility (APEMC)Symposium, Singapore,14-17 May, 2018.
