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UniversidaddeChileFacultaddeCienciasFsicasyMatemticasDepartamentodeIngenieraElctrica

Integrantes: JavierBecerraClaudioBurgos

SebastinFehlandt

Profesor: NelsonMorales

ProfesoresAuxiliares:DiegoMedel

ArielYung

EL41B LaboratoriodeRedes

TransmisindeCorrienteContinuaHVDC

Otoo2009

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ndice

ndice................................................................................................................................................... 2

Introduccin........................................................................................................................................ 3

TransmisinenHVDC.......................................................................................................................... 4

Transmisin..................................................................................................................................... 5

Torres.............................................................................................................................................. 6

Potencia.......................................................................................................................................... 7

Perdidas.......................................................................................................................................... 8

RectificadorestrifsicosparaHVDC.................................................................................................... 9

Rectificadortrifsiconocontroladode6pulsos............................................................................ 9

Rectificadortrifsicocontroladode6pulsos............................................................................... 11

Rectificadortrifsicocontroladode12pulsos............................................................................. 12

Rectificadorcomoinversor........................................................................................................... 13

ComponentesdeunsistemaHVDC.................................................................................................. 14

Convertidores:.............................................................................................................................. 14

Transformadordeconversin:..................................................................................................... 15

Filtros:........................................................................................................................................... 15

Conclusiones..................................................................................................................................... 17

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IntroduccinDesde los orgenesde la transmisindeenerga elctrica se hadesarrollado la transmisin decorrientecontinua,sinembargo,stapresentaconsiderablesdesventajas,como la imposibilidaddeutilizartransformadoresparavariarnivelesdetensin, lasdificultadespararectificarvoltajesgeneradosporfuentesdecorrientealterna,etc.Sinembargolainvestigacinenestareanuncaha sidodejadade lado,buscndose siemprenuevasymseficientes formasde transmisindecorrientecontinua.

LatransmisindecorrientecontinuadealtovoltajeHVDC(HighVoltageDirectCurrent)requiereciertoscomponentes,entreellos,sistemasderectificadoeinversinquepermitanconectarstasredesconredesAC,loqueademspermitelaconexindesistemasACdedistintasfrecuenciasoqueestndesfasados,etc.

EnesteinformesepresentanlosprincipalesconceptosrelacionadosalatransmisindeHVDC,elfuncionamiento de sus distintos componentes y sus ventajas y desventajas con respecto a latransmisindecorrientealterna,desdeelpuntodevistaeconmico,tcnicoyambiental.

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TransmisinenHVDCLa transmisinmasiva de energa elctrica cada vez cubremayores distancias debido a que laproduccindeenergas renovablescomo laproducidaencentraleshidroelctricas, laelicay la

solarestcondicionadaporlalocalizacinynodejaotraalternativa.

Lasdos formasprincipalesde transmisin sepueden realizarmediante conexinmonopolar y

conexinbipolar.

Conexinmonopolar: Lasdos subestaciones convertidoras seunena travsdeun conductory

comoretornoseusalatierraatravsdedoselectrodosdepuestaatierraounretornometlico.

Dondesetieneunpolodevoltajequeimplicaunsolosentidodecorrienteyunretornoportierra.

Conexinbipolar:Poseedosconductores,unoconpolaridadnegativa yelotroconpolaridadpositiva , por lo que esta configuracin se podra considerar como una conexin de dossistemasmonopolares. Cada conductor une las dos subestaciones convertidoras, si uno de los

sistemasmonopolares deja de funcionar entonces puede funcionar el otro con la tierra como

retorno y si ambos funcionan simultneamente, por la tierra circulara una corriente casi

despreciablecorrespondientealdesbalancedeambospolos.

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TransmisinLatransmisinenHVDCsepuedehacerporlneasareas,subterrneasosubmarinas.

Transmisin submarina HVDC: La transmisin en corriente alterna por cable submarino est

restringidaa~130 kilmetrosprincipalmentepor la reactanciapropiadel cable. La transmisin

HVDCes lanicasolucinparalargasdistancias.LossistemasHVDCconcablessubmarinosunen

sistemasendistanciasmayoresa600kilmetrosconpotenciashasta1.000[MW],condicionadosa

profundidadesnomayoresa80[m].

Transmisin subterrnea: Transporte de energamediante lneas subterrneas HVDC a zonas

congestionadas donde es imposible la instalacin de generacin (zonas urbanas con gran

crecimientodemogrficoyenergtico).

Transmisin area: Las lneas areas de un sistema HVDC presenta una serie de ventajas

importantes respecto a las areas HVAC. Una de ellas es el tamao de las torres. Si bien la

distanciaentre lneasdebidoa la tensines superiorenHVDC (enun factor3),elnmerodelneasesinferior(doslneasenHVDCfrenteatresenHVAC).Estadiferenciaenladistanciaentre

lneasesdebidaaqueenACdependedelatensinentefases,mientrasqueenDCdependedela

existenciaentrefaseytierra.Elresultadosonunastorresdemenortamaoymenornecesidadde

corredordepaso.Encontra,sepodradecirquelosaisladoresdeloscircuitosHVDChandeserde

mayor calidad,yaqueacumulanmayor cantidadde residuosen la superficiedebidoal sentido

unidimensionaldelacorriente.

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TorresTorre tpica de lneas de transmisin en

HVAC.

Torre tpica de transmisin de lneas de

transmisinenHVDC

El impactoambientaldelusodetransmisinareaenHVDCesmenorqueentransmisinarea

deHVACdebidoaqueparalamismatransmisindepotenciaeltamaode lastorresusadasen

HVDCesmenorquelasusadasenHVAC.

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PotenciaCuandosetienendistanciasgrandesenteunpuntodeconexinconotro.Lapotenciatransmitida

enunsistemaHVDCes,enciertamedida, independientede ladistancia.EnunsistemaHVAC la

capacidaddetransportedisminuyeconlasdistanciasdelaslneasdebidoasusefectosinductivos.

Enestecasolasprdidashmicasnosontomadasencuenta,dadoqueafectanaambossistemas

demanerasimilar,porloquenosonmuyrelevantesdecomparar.

CostoscomparativosentreHVDCyHVAC.

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PerdidasLos campos elctricos ymagnticos generados por una lneaHVDC son estticos y delmismo

ordendemagnitudquelosgeneradosporlatierradeformanatural,porloqueapriorinoafecta

negativamenteaningnservivo.Enel casode losmagnticos,estos campos seanulanalusar

retornosmetlicos.EncasodeHVACsetieneuncampoelctricodemximode15KV/m,mientras

queenlneadeHVDCsetieneuncampoelctricode15KV/msinentornoionizadoyde40KV/m

conentornoionizado.NoseconsideraloscamposmagnticosyaqueenelcasoHVDCsepodran

solucionarsingrandescomplicaciones.

En instalacionesmonopolares con retorno por tierra, el campomagntico puedemodificar la

lectura de una brjula en las proximidades del cable. Esto puede solucionarse mediante un

retorno metlico que anule dicho campo magntico. Esta instalacin tambin puede inducircorrienteentuberasoenconductoresmetlicoscercanosa laestacindeconversin.Enestos

casos,lainstalacindeunretornometlicopuedesertambinnecesario.

ElefectocoronaessuperiorenHVAC,porloquelasmedidasparaatenuarlodebensermayores,

conelcostequeestoacarrea.EncasoHVDClasdescargascoronascomienzancon:

30 1 0.096

ln2 Con:nmerodeionesnegativoscreadosporunelectrn.R:radiodelconductorexpresadoencm.

H:laalturadelconductorporsobreelsueloexpresadoencm.

Lageneracindeozonoporefectocoronaesdelmismoordendemagnitudqueelgeneradoen

procesosnaturales.

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RectificadorestrifsicosparaHVDCLos sistemas rectificadores ms usados para HVDC son los de 6 y 12 pulsos, los cuales secomponen de dispositivos semiconductores controlados, de esta forma se puede controlar elvoltajemediodesalidadelrectificador,estosdispositivossemiconductoressonllamadosvlvulas,indistintamente de su construccin. Sin embargo para entender el funcionamiento de estossistemas se explica a continuacin el funcionamiento con semiconductores no controlados,diodos.

Rectificadortrifsiconocontroladode6pulsosElrectificadorde6pulsosestconformadopor6diodosconectados2acadafase,delasiguiente

forma:

AlaplicarlaleydevoltajesdeKirchoffseobtienenlassiguientesecuaciones:

1) 2)

Dondetodoslosvoltajesemidenconrespectoalneutrodelaredtrifsica,exceptolosvoltajesenlosdiodos,y ysonlosvotajesenlosnodosPyNrespectivamente.Deestasecuaciones sepuedeobservarque, tantopara los tresdiodosD1,D2yD3de laparte

superiorcomoparalosdelaparteinferiorD4,D5yD6,soloconduceunoalavez.Esdecirsiempreconduceunoarribayunoabajo.Enefectosicondujeramsdeunoalmismotiempo,porejemploD1yD2,delaecuacin1seobtieneque:

Loquenopuedeseryaquelosvoltajesestndesfasadosen120.

AsmismosuponiendoqueenlapartedeabajoD4yD5conducenalmismotiemposetieneque:

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Loquellevaalamismacontradiccinanterior.

Otraconclusinimportantequesepuedeobteneresqueeldiodoqueconduceencadainstante

eselqueestconectadoalafasedemayorvoltaje,paralosdearriba,yalademenorvoltajeparalosdeabajo.Enefecto,sisesuponequeD1conducesetieneque:

Ycomolosvoltajesenlosdiodossonnulosnegativos,dependiendodesiconducenono,setieneque , .AsmismosisesuponequeD4conducesetieneque:

Ycomolosvoltajesenlosdiodossonnulosnegativos,dependiendodesiconducenono,setieneque , .Conestosepuedeconcluir,teniendoenconsideracinquelosvoltajes, y correspondenalosvoltajesfaseneutrocorrespondientes,yaqueestnmedidosconrespectoalneutro.quelos3diodos de la parte superior funcionan como detector de mximo, conectando el terminalcorrespondientede la cargaalmximovoltaje faseneutro.Asmismo, los3diodosde laparteinferioractan comodetectoresdemnimo conectandoelotro terminalde la carga siemprealmenorvoltajefaseneutro.Esdecir,sepuedeconcluirquelacargaesconectadasiemprealmayorvoltajefasefasedemaneracclica. Loquesepuedeobservarenelsiguientediagrama:

Enesteesquemasepuedeverquelacargaseconectaalasiguientesecuenciacclicadevoltajes:Vab,Vac,Vbc,Vba,Vca,Vcb,defrecuencia6.Dondeeslafrecuenciadelaredtrifsica

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DeestaformaseobtieneunvoltajemedioDCde:

Yunvoltajermsde:

DondeVmaxeslaamplituddelvoltajefaseneutro.

Finalmente para obtener un voltaje constante se debe filtrar la onda rectificada de lamismamaneraqueenunrectificadormonofsico.

Rectificadortrifsicocontroladode6pulsosEsmuysimilaralanterior,ladiferenciaradicaenqueenvezdediodosseutilizansemiconductores

controlados,esdeciren losculessepuedecontrolareldisparoyenalgunoscasoselbloqueo.

Tpicamente se utilizan tiristores, los cuales pueden conducir, al igual que el diodo, siempre y

cuando la corriente fluya en el sentidopermitido, sin embargo los tiristores necesitan adems

recibirun impulsoenunapuertadecontrolparacomenzaraconducir,dichaconduccindurar

hastaquelacorrienteseinviertadesentido,luegoparavolveraconducirnecesitanotroimpulso.

Deestaformasepuededefinirlossiguientesngulos:

nguloderetraso :sedefinecomoeltiempoexpresadoengradoselctricosmedidodesdeque

elvoltajesinusoidalcruzaporcerohastaelinstanteenquelacorrienteporunavlvulacomienzaa

circularen sentidocontrario.Estenguloescontroladoporelpulsodedisparoen lapuertade

controldeltiristor.

ngulodetraslapo :Eltiempodeduracindelaconmutacinentredosvlvulasexpresadasengradoselctricos.Estetiemposedebeaqueelprocesoenquelacorrientepasadesdeunavlvulaaotra,existiendoporlotantounadisminucindelacorrienteenunavlvulayunaumentoenlasiguiente,noesinstantneo,laduracindeesteproceso,llamadoconmutacin,eslamedidapor

elngulo .

ngulodeadelanto :Correspondeal tiempoexpresadoengradoselctricosmedidodesdeelinstanteenque lacorrienteempiezaaconducirporunavlvulahastaelprximocruceporcerodelvoltajedeconmutacin.Elngulodeavanceoadelanto estrelacionadoengradosconelngulodedisparo por: =180

ngulodeextincin :Eltiempoexpresadoengradoselctricosmedidodesdeeltrminoen laconduccin de corriente de una vlvula hasta el prximo cruce por cero del voltaje deconmutacin. Gamma depende del ngulo de avance y del ngulo de traslapo segn lasiguienteecuacin: =

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Conesto,setienequeelvoltajealasalidadelrectificadortienelasiguienteforma:

Deestaformavariandoelnguloalfasemodificalaformadelvoltajedesalidayconellosuvalormedioelculesde:

126 3

33 Rectificadortrifsicocontroladode12pulsosConstade2rectificadorestrifsicoscontroladosde6pulsossincronizados(esdecirconelmismo),conectadosencascada:

Lasalidadelrectificadorsetomaentrelosextremosdelosconversoresde6pulsosnoconectadosentre s. Con el objeto de conseguir una salida loms plana posible se utilizan dos tipos deconexionesdiferentesenlostransformadoresdeentrada:unoconectadoestrellaestrella(desfase0)yelotroconectadoestrelladelta(desfasede30o150).Deestaformaseobtieneunasealdesalidadelasiguienteforma:

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Conloqueseobtieneunvoltajecuyafrecuenciaeseldobledeladelrectificadorde6pulsos,12(dondees la frecuenciade la red trifsica),ycuyamagnitudesdeldobledesta.Esdecirelvoltajemedioesde:

63 RectificadorcomoinversorOtradelasventajasdelosrectificadorescontroladoseslaposibilidaddeserutilizadoscomoinversores.Delasecuacionesanterioresparaelvoltajemediosetieneque:

0 si 90 180 y 0 si 0 90DeloquesedesprendequelapotenciafluyedesdeelladoDChaciaelladoAC.

SinembargosedebetenerencuentaqueestoesposiblesiempreycuandosetratederedesACyDC,esdecir,stesistemanoesuninversorpropiamentetal,puessiseaslaelladoACdelsistemaysoloseconectaaunacarga,noseobtieneunvoltajetrifsico.Esporestoqueestossistemasnosirvenporejemploparainvertirlapotenciageneradaconunpanelsolaryalimentarunconsumotrifsico,paraestos finesseutilizan inversoresmssofisticados,similaresa losmonofsicos,sinembargo,estoescapaa losobjetivosde la transmisinenHVDC,por loquenoser tratadoenesteinforme.

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ComponentesdeunsistemaHVDCParapodertransportarenergapormediodelatecnologaHVDC,esnecesarioconvertirladeACaDC,paraposteriormenterealizarlatransformacininversa,deDCaAC.Losprincipaleselementosenestedobleprocesoson:

a) ConvertidoresAC/DC(rectificadores)yDC/AC(inversores).b) Transformadoresdeconversin.c) FiltrosACyDC.d) Lneasdetransporte.

Convertidores:Su tareaestransformarcorrientealternaencorrientecontinuayviceversa, loquedeterminaeltipodeconversindeAC/DCodeDC/ACeselsentidodelapotencia,cabehacernotarqueparala

transformacinAC/DC loque interesaestenerunaentradaconelmayornumerode fases,estoparaconseguirunasealcontinuaprcticamenteplana(mnimorizado).

Cualquier tipode convertidor (usando cualquier tecnologa actualmentedesarrollada) creaunaseriedearmnicos,tantoenelladoACcomoenelDC,esporestemotivoquesehacedesumaimportancialautilizacindefiltrosACyDC,paraeliminardichosarmnicos.Enparticularenestelosconvertidoresde6pulsossecreanarmnicosdelordende6n+1enelladoACydeorden6nenelladoDC.

Eneldiseodeconvertidoresseutilizandistintastecnologas,lasprincipalessonlassiguientes:

TecnologaclsicaoLCC:Laprincipalcaractersticadelosconvertidoresclsicoseslautilizacindetiristores,loscualestienenlaparticularidaddequenicamentesepuedeseleccionarelmomentode disparo, pero no es posible controlar el momento de corte, el cual llegara hasta que eldispositivoseapolarizadonegativamente,conlocualsetieneunconvertidorsemicontrolado,conelcualesposibleregularavoluntadlapotenciaactiva,noaslareactiva.

Cualquier tipode convertidor (usando cualquier tecnologa actualmentedesarrollada) creaunaseriedearmnicos,tantoenelladoACcomoenelDC,esporestemotivoquesehacedesumaimportancialautilizacindefiltrosACyDC,paraeliminardichosarmnicos.Enparticularenestetipodeconvertidorsecreanarmnicosdelordende6n+1enelladoACydeorden6nenelladoDC,mientrasque losde12pulsosgeneranarmnicosdeorden12n1enel ladoACydeorden12nenelladoDC.

TecnologaVSC: Este tipode convertidor se caracterizapor laposibilidadde controlar tantoelencendidocomoelapagadode loscomponentesdelconvertidor,con locualsepuedecontrolardemanera independiente la potencia activa y la reactiva. Esta gran capacidad de control delconvertidor con esta a tecnologa se debe a la utilizacin de IGBTs (Insulated Gate BipolarTransistor)enlugardetiristores.Estosdispositivospermitencontrolarlaintensidadentre2desusterminalesmedianteelvoltajeenuntercerterminal, lasventajasdestedispositivofrentealostiristoresradicaenqueconestatecnologaseposeeuncontroltotalde lasealdepotencia, locualconllevaayunmenorniveldearmnicos,otroaspecto importantees labajapotenciadecontrol,lacualselogragraciasalaislamientodelapuertadeltipoMOSFET.

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Enlaactualidadestatecnologaofreceunapotencianominalmximade330MWfuncionandoa150kV.

DiagramaconvertidorVSC

TecnologaIGTC:EstatecnologarepresentaunaevolucindelosGTO(GateTurnOffThyristor),el

cual era el nico interruptor controlado de potencia, en los aos 90, este dispositivo erarelativamente lento,por locualseperfeccionoeldiseohastamejorardisminuirlasperdidasenun40%,eneldispositivoqueseconocecomoGCT(GateCommutatedThyristor),posteriormentesecreelIGCT,elcualintegraeldispositivoantesmencionado(GCT)conuncircuitoexterior,conlocualselogramejorarconsiderablementelaspropiedadesdeldispositivo.Lasprdidasalcanzadasconel IGTC son similaresa lasque seproducenalutilizar tiristores,esposible utilizar este dispositivo en potencias de 0.3 a 300MW, pero hasta elmomento estatecnologa no es competitiva ni comparable en trminos comerciales al alcanzado por latecnologaVSC.

Transformadordeconversin:ElobjetivodelostransformadoresesconvertirlatensinalternadelossistemasACenlatensinalterna de entrada de los convertidores HVDC. Por otra parte, tambin se utilizan como unaaislacinentrelaredyelconvertidor.Enprcticamentetodosloscasosseinstalandosgruposdetransformadoresdesfasadosen30o150grados.Estos transformadores se caracterizan por estar diseados para soportar el alto contenido dearmnicosgeneradoporlasestacionesconversorassinsobrecalentarse.Adems,estndiseadosparasoportarlapremagnetizacincontinuadelncleo,elruidoyotrascaractersticasdeestetipode montajes. Tienen un aspecto diferente a los utilizados normalmente en corriente alternadebidoalaalturadesuscontactosnecesariosparaalcanzarlastorresdevlvulas,quesuelenestarsuspendidasentechodellugardeinstalacindelasestacionesconversoras.

Filtros:Enelconvertidorseproducenungrannmerodearmnicas,lascualessoninyectadasalladoACyDC,esporestemotivoque sehacenecesaria la implementacinde filtrosaambos ladosdelconvertidor(paraatenuardichasarmnicas),esporestemotivoquesehabladefiltrosACy DC.

Las armnicas se clasifican en dos tipos, las armnicas caractersticas (las producidas por elconvertidor)y lasnocaractersticas, lascualessonproducidasprincipalmentepor:operacinnobalanceadadelosdospuentesconversoresqueformanlosconversoresde12pulsos, errorenlosngulosdedisparo,voltajesACnobalanceadosodistorsionadosy transformadorescondistintaimpedancia.

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Algunosproblemasquesepuedensuscitarporlacontaminacinporarmnicasson:

1) Interferenciatelefnica.2) Prdidadepotencia,conelconsecuentecalentamientodemaquinasycapacitoresconectadosalsistema.

3) Sobrevoltajesdebidoaresonancia.4) Inestabilidadenelcontroldelosconversores.

FiltroAC:LosfiltrosACposeennormalmenteunadoblefuncinyaqueporunaparteseencargandeabsorberlosarmnicosgeneradosporlasconversorasyporotroproporcionanunapartedelapotenciareactivanecesariaenelprocesodeconversin.Eltipodediseodelfiltrodependedelatecnologaqueimplementaalconvertidor,msconcretamentealasarmnicascaractersticasque

generaelconversor.Amododeejemplosiseutilizaunconversordeseispulsoshabrquedisearun filtro talque sea capazde filtrar armnicasdeordende 6n+1 (yaque este es elordendearmnicasqueproduceestedispositivoenparticular).

FiltroDC:EstosfiltrosseencargandereducirelcomponenteACdelasealcontinuaquesedeseaobtener.Bsicamente,sonfiltrospasabajosdiseadosparafiltrararmnicasdevariosrdenes.SeconectanenparaleloconlalneaDC.

Finalmentehayquemencionar,queentodoelaparatajedeestasestacionesexisteloquesellamaEl reactordealisamiento,el cualprotegeal sistemadeeventualesproblemasque sepudieranSuscitar,lasprincipalesfuncionesdeestedispositivoson:

_Prevencin de corriente intermitente: La corriente intermitente debido al ripple de corrientepuedecausaraltossobrevoltajeseneltransformadoryenelreactordealisamiento.

_LimitacindelacorrientedefallaDC:ElreactordealisamientopuededisminuirlacorrientedefallaylatasadeaumentoparafallasdeconmutacinyfallasenlalneaDC.

_ Prevencin de resonancia en el circuito DC: El reactor de alisamiento se disea para evitarresonanciaenelcircuitoDCabajosrdenesenlafrecuenciadelasarmnicas,como100150Hz.EstoesimportanteparaevitarlaamplificacindearmnicasdesdeelsistemaAC,comosecuencianegativaylasaturacindeltransformador.

_Reducirarmnicasdecorrienteincluidalalimitacindeinterferenciatelefnica:Lalimitacindeinterferencia viniendo de las lneas areas DC es una funcin esencial de los filtros DC. Sin

embargo,elreactordealisamientojuegaunimportantelaborenreducirarmnicasenlacorrienteactuandocomounaimpedanciaenserie.

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ConclusionesLa transmisin de energa elctrica en HVDC es bastante til y conveniente para solucionar

problemascomolasdistancia,inestabilidad,conectarsistemasasncronos,etc.

Paratransmitiraunadistanciamayorque800Kmesmuyconvenienteyaqueelcostoesmenor

que latransmisinenHVAC,peroenunadistanciamenoryanoesconvenientedebidoaqueel

costo de rectificacin e inversin es demasiado alto y no se compensa con el ahorro en la

transmisinpropiamentetal.

La transmisin sepuedehacerdedistintas formasyasea subterrnea, submarinayarea,yen

todasproduciendomenosdaoalanaturalezaypudiendollegaralugaresmuchomsalejados.

La transmisin en HVDC es mucho ms estable y ms controlable que en HVAC, pudiendo

transmitir mucha ms energa elctrica manteniendo una potencia que se podra decir

independientedeladistanciaquetengalalneadetransmisin.Lasperturbacionesenlalneason

menoresyesmuchomsfcillainyeccindeenergaelctricaprovenientedefuentesrenovables

comolaenergaelica,solar,etc.