Stabiliteitsanalyse van Toekomstige Gelijkstroomnetten

Om de drastische gevolgen van de opwarming van de aarde te beperken is decarbonisatie van het energiesysteem essentieel. Deze transitie brengt verschillende uitdagingen met zich mee voor het elektriciteitsnet, zoals de nood voor meer flexibiliteit om de variërende productie van wind- en zonne-energie te balanceren en een verhoging van de transmissiecapaciteit om de toenemende elektrificatie van het energiesysteem te ondersteunen.

Over de voorbije jaren is het duidelijk geworden dat gelijkstroom (DC) technologie een prominente rol zal spelen om deze uitdagingen aan te pakken zowel op transmissie- als distributieniveau. Op het transmissieniveau worden hoogspanning gelijkstroom (HVDC) verbindingen op basis van spanningstussenkringomvormers (VSCs) namelijk al veelvuldig toegepast om afgelegen windmolenparken op zee (OWF) te verbinden met het wisselstroom (AC)-gebaseerde transmissienet op land. Het wordt verwacht dat deze verbindingen verder zullen uitbreiden tot multi-terminal (MT) configuraties waarbij meerdere omvormers geïnterconnecteerd worden via een DC netwerk. DC technologie wordt ook meer en meer toegepast op het distributieniveau. Aangezien fotovoltaïsche (PV) systemen, batterijen en laders voor elektrische wagens (EVs) inherent DC gebaseerd zijn, is er toenemende interesse om deze toepassingen te verbinden via een laagspanning gelijkstroom (LVDC) systeem.

Ondanks de vele voordelen die omvormer-gebaseerde DC systemen bieden, brengen ze ook enkele bezorgdheden met zich mee. Omvormers kunnen namelijk interageren met de elektromagnetische modes van het DC netwerk, wat mogelijks systeeminstabiliteit veroorzaakt. Dit risico is groter voor LVDC en HVDC systemen met een MT configuratie aangezien deze systemen omvormers kunnen bevatten van verschillende leveranciers. Het ontwikkelen van fundamentele kennis met betrekking tot de DC-zijde stabiliteit van MTDC systemen is daarom cruciaal om de toekomstige interoperabiliteit tussen omvormers te garanderen. Verder is het ook onduidelijk of deze kennis overdraagbaar is tussen de verschillende spanningsniveaus. Met deze uitdagingen in het achterhoofd is het centrale objectief van deze thesis om de klein-signaalstabiliteit van MTDC systemen te analyseren voor zowel laag- als hoogspanningstoepassingen.

Om dit doel te bereiken stelt deze thesis een nieuwe procedure voor om een allesomvattende klein-signaalstabiliteitsanalyse van MTDC systemen uit te voeren. De procedure is algemeen toepasbaar voor zowel LVDC als HVDC systemen en is compatibel met zwarte doos (black-box) modellen van systeemcomponenten. Deze eigenschap is voornamelijk van belang voor het onderzoeken van systemen waarbij meerdere leveranciers zijn betrokken en interne details niet kunnen worden vrijgegeven door intellectuele eigendomsrechten.

Vervolgens is de stabiliteit van MT LVDC systemen onderzocht via de nieuwe voorgestelde procedure met de focus of de bipolaire configuratie. Deze stabiliteitsanalyse toont aan dat bipolaire LVDC systemen onstabiel kunnen worden door laagfrequente oscillatiemodes. Verder is ook het effect van de ongebalanceerde vermogenconditie en de spanningsbalancerende controle toegelicht. Aanvullend is de klein-signaalstabiliteit van MT HVDC systemen onderzocht over een breed frequentiegebied om zowel laag- als hoogfrequente interacties te bestuderen. De studie focust op modulaire multilevel omvormer (MMC)-gebaseerde HVDC systemen en de specifieke interne dynamica van de MMC. Er is vastgesteld dat de HVDC netwerkresonanties en de MMC controledynamica een grote invloed hebben op de systeemstabiliteit.

Tot slot toont de vergelijking van de omvormer- en netwerkdynamica voor beide spanningsniveaus aan dat de achterliggende mechanismes van de DC-zijde instabiliteit grotendeels gelijkaardig zijn voor LVDC en HVDC systemen, alhoewel specifieke systeemkarakteristieken ook resulteren in verschillende types van interacties. Bovendien is een frequentiedomein-kader ontwikkeld voor het classificeren en onderzoeken van klein-signaal DC-zijde interacties in LVDC en HVDC systemen. Vervolgens zijn aanbevelingen voor de studie en mitigatie van instabiliteit in MTDC systemen geformuleerd.