Doctorandus/a PhD student
Partners
Thema
Promotor / Supervisor
Prof. dr. ir. Dirk Van Hertem (promotor)
De heer Hakan Ergun (co-promotor)
Samenvatting van het onderzoek / Summary of Research
De wereldeconomie is sterk afhankelijk geweest van fossiele brandstoffen door het gebruik van aardgas, olie en steenkool. Hierdoor is in de afgelopen decennia een aanzienlijke hoeveelheid kooldioxide (CO2) in de atmosfeer terechtgekomen. De buitensporige hoeveelheid CO2 warmt de aarde op door het broeikaseffect. Dit heeft talrijke gevolgen, waaronder de stijging van de zeespiegel, extreme weersomstandigheden, droogtes, overstromingen, bosbranden en vele andere klimaatgerelateerde rampen. Het Akkoord van Parijs is een belangrijke stap om de klimaatverandering aan te pakken, waarbij alle landen zich tot doel hebben gesteld de temperatuurstijging ruim onder de 2 °C te houden. Aangezien de elektriciteitsproductie op basis van fossiele brandstoffen een aanzienlijk deel van de totale broeikasgasemissies uitmaakt, is het koolstofvrij maken van de elektriciteitsvoorziening noodzakelijk om dit doel te bereiken. Wind- en zonne-energie zijn de voornaamste kandidaten om conventionele elektriciteitscentrales op basis van fossiele brandstoffen te vervangen.
De windmolenparken kunnen zowel onshore als offshore worden geplaatst, die beide zullen toenemen om de Europese klimaatdoelstelling te halen. Meer bepaald wordt geraamd dat de capaciteit van offshore-windmolenparken met een factor 20 zal toenemen tegen 2050. Alleen al in de Noordzee wordt de offshore-windcapaciteit geraamd op 212 GW ten opzichte van de huidige capaciteit van 20 GW. Momenteel worden de offshore-windmolenparken individueel met de kust verbonden via onderzeese kabels. Er zal echter een enorm aantal individuele verbindingen nodig zijn om de hierboven vermelde capaciteit aan te sluiten. In plaats daarvan kan een elektriciteitsnet in zee worden gevormd dat meerdere windparken op zee met elkaar verbindt alvorens ze uiteindelijk op het vasteland aan te sluiten. Het elektriciteitsnet heeft ook meerdere economische en technische voordelen ten opzichte van afzonderlijke verbindingen. De hoogspanningsgelijkstroomtechnologie (DC) is geschikter om deze taak uit te voeren dan de traditioneel gebruikte hoogspanningswisselstroomtechnologie (AC) voor onshore-netwerken. Dit komt omdat HVDC-technologie lagere vermogensverliezen oplevert en een betere controle over de energiestromen mogelijk maakt.
De planning van een offshore HVDC-net biedt een aantal uitdagingen ten opzichte van de traditionele onshore HVAC-netplanning. Ten eerste wordt de lay-out van het net bepaald door het oplossen van een wiskundig probleem dat zeer niet-lineair en gemengd integer is. Dit soort problemen is zeer moeilijk op te lossen met bestaande algoritmen en is niet oplosbaar voor grote netten. Daarom wordt het probleem vereenvoudigd om een oplossing te vinden. De veel gebruikte vereenvoudiging maken aannames over verliezen, reactief vermogen en spanningen. Deze vereenvoudiging, `DC' benaderingen genoemd, leidt tot onnauwkeurigheden in de uiteindelijke lay-out. Deze dissertatie leidt betere vereenvoudigingen van het planningsprobleem af en biedt drie verschillende alternatieven voor `DC' benaderingen. Deze alternatieven bieden een betere nauwkeurigheid bij een redelijke rekensnelheid.
De tweede uitdaging heeft te maken met de frequentiestabiliteit. De frequentie is een maatstaf voor het evenwicht tussen belasting en opwekking. Als het evenwicht wordt verstoord, bijvoorbeeld doordat een belasting of elektriciteitscentrale wordt geactiveerd, wijkt de frequentie af van de nominale waarde van 50 Hz. De elektrische apparatuur is gebouwd om bij de nominale frequentie te werken en kan beschadigd raken als met andere frequenties wordt gewerkt. Daarom moet het elektriciteitsnet worden voorbereid op mogelijke onevenwichtigheden om de frequentie op de nominale waarde te handhaven. Voor het Noordse elektriciteitssysteem (Zweden, Noorwegen, Denemarken en Finland) kan de maximale vermogensonbalans ontstaan door het uitvallen van een kerncentrale van 1,4 GW in Zweden. Het Noordse elektriciteitssysteem is uitgerust met voldoende tegenmaatregelen om de frequentie te handhaven bij uitval van deze centrale. Met de toename van het aantal windmolenparken op zee kan de maximale onbalans in de toekomst echter het gevolg zijn van de HVDC-netwerken op zee, bijv. door het afschakelen van een gelijkstroomlijn. De huidige planningsmethoden pakken dit probleem aan door de GW-capaciteit van het geïnjecteerde vermogen van een offshore HVDC-verbinding te beperken tot onder de huidige maximale onbalans. Deze dissertatie heft deze beperking op door gebruik te maken van DC-netbeveiliging die in staat is het geïnjecteerde vermogen snel te herstellen na een DC-lijnfout. De dissertatie stelt nieuwe wiskundige modellen voor om dit aspect op te nemen in de werking en planning van HVDC-netten. De conclusie is dat het volledig selectieve beveiligingssysteem dat zeer snel en selectief de defecte lijn isoleert, het meest economisch is.
Volledige tekst van het doctoraat / full text
Examencommissie / Board of examiners
Prof. dr. ir. Dirk Van Hertem (promotor)
De heer Hakan Ergun (co-promotor)
Prof. dr. ir. Paul Sas (voorzitter)
De heer Willem Leterme (secretaris)
Prof. dr. ir. Erik Delarue
Prof. dr. Michael Kleemann
Prof. Keith Bell , University of Strathclyde (Glasgow)
Prof. Jalal Kazempour , Technical University of Denmark
Dr. Plet Cornelis , DNV