05-03-2021

Een recente studie uitgevoerd door EnergyVille met bijdragen van APG en Borealis heeft licht geworpen op de kabelhostingcapaciteit van het Extra High Voltage-net. Het primaire doel van deze studie was om kabelintegratie vanuit een technisch en systeembeheerperspectief te bekijken en zo inzicht te geven in verbeterpunten voor ondergrondse kabeltechnologie. De bedoeling is om een ​​reeks besluitvormingstools verder te ontwikkelen om TSO's te helpen zich voor te bereiden op een toekomst met meer kabels die in hun netwerken zijn geïntegreerd, en om het besluitvormingsproces te ondersteunen tijdens de systeemplanning. 

Auteurs KU Leuven: Vaishally Bhardwaj, Rickard Lundholm, Simon Nagels, prof. Dirk Van Hertem en Dr. Hakan Ergun

Bijdragen APG door: Anita Machl and Klemens Reich

Bijdragen Borealis door: Marc Bailleul and Ramona Huuva


Volgens de systeemstatistieken van ENTSO-E van 2018 [1] is de totale circuitlengte van wisselstroomkabels bij transmissiespanningen 5567 km, waarvan 4558 km is geïnstalleerd op 220 kV-niveau en 1009 km op 380/400 kV niveau. Het ENTSO-E tienjarig netwerkontwikkelingsplan (TYNDP) 2018 benadrukt dat kabeltechnologie een belangrijkere rol zal spelen bij de ontwikkeling van het net dan in het verleden [2], maar aangezien specifieke vereisten voor transmissielijnen kunnen variëren en het omringende bestaande net moet worden betrokken bij de beoordeling, zal een analyse van geval tot geval altijd nodig zijn.

stevin project elia

Figuur 1. 400 kV ondergrondse kabelconstructie van het Stevin-project door Elia

Hoewel ondergrondse kabel (underground cable, UGC)-technologie steeds vaker wordt gebruikt in middenspanningsdistributie en in hoogspanningstoepassingen tot 150 kV, blijft de inzet ervan bij EHV beperkt. Momenteel vertegenwoordigen kabels minder dan 1% van het 380 kV / 400 kV wisselstroomnet van ENTSO-E [1]. In [3] wordt een overzicht gegeven van lange AC HV- en extra-hoogspanningskabelprojecten (EHV) (onshore en offshore). Op EHV-niveau worden 45 verschillende kabelprojecten opgesomd. Van de 45 verschillende genoemde kabelprojecten is de gemiddelde circuitlengte van alle kabelprojecten 38 km met een gemiddeld vermogen van 1.000 MVA per project. De langst geïnstalleerde EHV-kabel tot nu toe is de verbinding Malta-Sicilië met 119 km kabel (95 km onderzees, 24 km op het land) en geschikt voor 220 kV met een vermogen van 200 MW [4].

Hoewel ondergrondse kabels geen visuele pollutie veroorzaken, verschilt hun gedrag aanzienlijk van luchtlijnen (overhead line, OHL). Door de constructie van UGC is hun capaciteit in EHV-toepassingen ongeveer 20 keer groter dan die van OHL, terwijl hun inductantie 5 keer lager is. Dit verschil kan over het hoofd worden gezien bij korte kabels, maar verandert het bedrijfsgedrag van het hoogspanningsnet fundamenteel naarmate de lengte van, en het aantal kabels toeneemt. Bovendien moeten vanuit het perspectief van netanalyse de planning en operationele procedures worden aangepast bij het integreren van kabels, aangezien deze historisch gebaseerd zijn op luchtlijnen als de enige gebruikte technologie.

Het onderzoeksrapport beoogt de volgende vragen te beantwoorden:

  • Welke technische hindernissen zijn het meest bindend voor kabelintegratie en welke kunnen worden overwonnen?
  • Zijn de limieten voor het gebruik van UGC specifiek voor bepaalde kabelsecties of voor het hele systeem?
  • Is er een maximale kabellengte die door het systeem kan worden opgevangen?
  • Zijn er concentratie-effecten bij het plaatsen van veel kabels in elkaars nabijheid?
  • Is er een maatstaf om de maximale hostingcapaciteit te kwantificeren?

transmittable power for underground cables

Figuur 2. Effect van compensatie op het overdraagbare vermogen voor UGC

Het onderzoek richt zich op vijf verschillende fenomenen die worden beïnvloed door de aanleg van ondergrondse kabels. Ten eerste het beheer van reactief vermogen, aangezien door de capacitieve aard van kabels het gedrag van het net fundamenteel zal veranderen. De selectie van de strategieën voor reactief vermogenbeheer (d.w.z. compensatie) en de bijbehorende apparaten zal een aanzienlijk effect hebben op het aantal kabels dat in het net kan worden ondergebracht. Zonder compensatieapparatuur zou de toevoeging van kabels kunnen leiden tot ernstige overschrijdingen van de spanningslimieten en zal het niet lukken om het gewenste actieve vermogen over te brengen, zie figuur 2.

Er is een analyse uitgevoerd om aan te tonen dat een gedistribueerde compensatiestrategie leidt tot de beste resultaten vanuit het oogpunt van systeembeheer. Voor de praktische toepassing is echter een gedetailleerde analyse vereist om de optimale locatie(s) te bepalen, evenals de grootte en het type reactoren. Een ander effect waarmee rekening moet worden gehouden, is dat een optimale compensatie van reactief vermogen mogelijk problemen veroorzaakt tijdens schakelacties (zero-missing-fenomeen).

De toevoeging van kabels heeft een positief effect op de spanningsstabiliteit, waardoor de stroomoverdrachtcapaciteit van het net toeneemt, van nature gedomineerd door het inductieve gedrag van OHL. Als zodanig verhoogt de capacitieve aard van UGC de spanningsstabiliteitsmarge van het net. Tijdens een schakelactie, bijvoorbeeld het afschakelen van een lijnfout, kunnen niet-gecompenseerde kabels met een open uiteinde echter bijdragen aan een overschot aan blindvermogen dat generatoren zou kunnen dwingen om extra blindvermogen te leveren. Dit kan leiden tot onder-opgewekte generatoren en spanningsdalingen in het net. Daarom worden gedetailleerde studies met betrekking tot schakelsequenties aanbevolen bij het integreren van kabels.

De capacitieve aard van UGC's leidt ook tot lagere resonantiefrequenties die worden waargenomen in het hoogspanningsnet. Harmonischen die gewoonlijk door industriële verbruikers worden veroorzaakt, vallen doorgaans in de volgende bereiken:

  • Energisering van transformatoren: 2e, 3e en 4e harmonischen
  • Harmonischen uitgezonden door de industrie (HVDC-converters, boogovens, enz.): 5e, 7e, 11e en 13e

Als er sprake is van een resonantietoestand en een spanning/stroom met de bijbehorende frequentie wordt uitgezonden, kunnen hoge overspanningen en te hoge stromen de netcomponenten overbelasten en tot versnelde veroudering leiden met een grote kans op beschadiging of vernietiging van componenten. Dit is een kritisch fenomeen en baart veel TSO's (Transmission System Operators), zoals EirGrid, Energinet en Elia, zorgen. Het is bekend dat resonantiepieken de kabellengte in verschillende projecten beperken.

UGC en OHL hebben verschillende thermische capaciteiten, wat het tijdelijke overbelastingsbeheer van gemengde OHL/UGC ingewikkelder kan maken. De hoge overbelastingscapaciteit van UGC maakt het mogelijk om gemengde UGC/OHL-systemen te implementeren met een lagere continue classificatie voor de UGC-secties, aangezien het gemengde systeem alleen volledig zal worden geladen in N-1 en de UGC-secties lang genoeg kunnen worden overbelast in noodsituaties om te wachten voor corrigerende maatregelen van de systeembeheerder. Dit resulteert in beslissingen in de planfase die extra aandacht vragen. Tabel 1 toont een overzicht van enkele van de verschillende beheerstrategieën die worden gebruikt voor verschillende gemengde OHL/UGC-configuraties.

 

Tabel 1. Overzicht van verschillende beheerprocedures voor gemengde OHL/UGC

 

Voltage
 (kV)

OHL rating
(A)

UGC rating
(A)

Emergency Rating (OHL)

Emergency Rating (UGC)

Australia [5]

275

846

680

920A / 2 hrs

1200A/ 2 hrs

Netherlands [3]

380

4000 (2.5k)

2500

Operated at N-1

4000A / 1 week

Denmark [6]

400

1600

700

Operated at N-1

1400A / 30 hrs

Belgium [6]

150

1161

1100

1900A / 1 week

1900A /1 week

Met betrekking tot schakelverschijnselen zijn er twee hoofdaspecten, namelijk (de) bekrachtiging van kabels en het zero-missing-fenomeen. Bij het bekrachtigen van ondergrondse kabels bestaat het risico op hoge transiënte overspanningen en inschakelstromen. In een gemengde OHL/UGC-configuraties zal de toevoeging van kabels de maximale piek van de transiënte overspanningen verlagen. Bij het spanningsloos maken van de kabel moeten TSO's zich bewust zijn van vastzittende ladingen, die kunnen leiden tot aanzienlijk hoge overspanningen (tot 3 pu geregistreerd), en om hersluitingsprocedures te vermijden, tenzij de juiste apparatuur wordt gebruikt om een ​​fout in het ondergrondse kabelsegment te detecteren. Zero-missing-fenomeen treedt op wanneer aan twee voorwaarden wordt voldaan:

  1. Een shuntreactor die op de kabel is aangesloten, wordt tegelijkertijd met de kabel bekrachtigd
  2. De shuntreactor compenseert meer dan 50% van het reactieve vermogen van de kabel

Dit resulteert in een gelijkstroomcomponent die de stroom dwingt om niet door nul te gaan. Dit leidt op zijn beurt tot storing van apparaten die afhankelijk zijn van de huidige nuldoorgang en voorkomt het openen van stroomonderbrekers om de fout te verhelpen. De bevindingen geven aan dat de ernst van overspanningen en inschakelstromen die overeenkomen met beide verschijnselen kan worden beperkt als er extra aandacht wordt besteed aan de configuratie van de UGC/OHL-verbinding en het compensatietype dat wordt gebruikt. Daarom wordt verwacht dat dit fenomeen geen systeembreed effect zal hebben op de kabelhostingcapaciteit (CHC), noch de hoeveelheid kabel in een net direct zal beperken. Dit fenomeen moet echter afzonderlijk worden bestudeerd voor mogelijke kabellocaties om de beste oplossing te bepalen.

De studie laat zien dat de interactie van verschijnselen niet kan worden verwaarloosd. De verschijnselen moeten zowel afzonderlijk als gecombineerd worden bestudeerd en bekeken. Vooral mitigerende maatregelen voor een bepaald fenomeen kunnen ongewenste effecten voor een ander fenomeen veroorzaken. De combinatie van deze bevindingen heeft geleid tot de voorlopige definities van een CHC vanuit een systeemperspectief, d.w.z. het maximale aantal kabels dat een net kan herbergen. Dit onderzoeksrapport identificeert zes Key Performance Indicators (KPI's) met elk hun eigen drempelwaarden, die bij overschrijding leiden tot een toename van de complexiteit:

  • De verandering in spanning over alle bussen in het systeem. De limiet wordt bepaald door de TSO (typisch ± 10% van de nominale spanning, bijv. 342-418 kV voor 380 kV) en de ernst wordt bepaald door het aantal bussen dat de limiet overschrijdt en hoe moeilijk het is om het systeem te beheren . De moeilijkheid van systeembeheer wordt bepaald door het aantal bussen dat de TSO-spanningslimieten overschrijdt. Overschrijdingen van de spanningsgrenzen op een bepaalde bus worden beschouwd als een kleine overschrijding, aangezien de spanning kan worden opgelost met lokale maatregelen. Naarmate het aantal bussen de spanningslimieten overschrijdt of nadert, is dit ingewikkelder en is systeembreed blindvermogenbeheer vereist.
  • Reactieve vermogensstroom in N-0-situaties (of tijdens stabiele toestand). De KPI wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de reactieve stroomstroming door de kabel en de MVA-waarde ervan. De maximale drempelwaarde voor het blindvermogen wordt gedefinieerd als 30% van de MVA-waarde van de kabel.
  • Maximale en gemiddelde lijnbelasting voor N-1-onvoorziene omstandigheden. De drempel wordt gedefinieerd als meer dan 100% van de beoordeling van de bovenleiding van een OHL/UGC-systeem. Deze KPI houdt geen rekening met de duur van het laden en gaat ervan uit dat door het overschrijden van de drempel in de N-1-toestand, het systeem complexer te beheren is.
  • Waarneming van een hoge zelfimpedantie op elk onderstation in het bereik van de 2e, 3e en 4e harmonische.
  • Een hoge harmonische achtergrondversterking op elk onderstation voor de 5e, 7e, 11e en 13e harmonische.

Elke individuele KPI wordt gecombineerd tot een enkele complexiteitswaarde met behulp van een gewogen sombenadering,

 

waarbij w het gewicht is dat wordt toegekend aan de specifieke KPI, en n het maximum aantal KPI's is dat is gedefinieerd, bijvoorbeeld vijf voor de huidige studie. Er wordt een methodologie gepresenteerd om deze KPI's af te leiden en de CHC-berekeningen worden toegepast op een academisch testsysteem en een representatief EHV-net dat is afgeleid van het Oostenrijkse EHV-transmissienet. De resultaten van het EZV-net zijn kort weergegeven in Figuur 3 en Figuur 4 waar vier verschillende mogelijke kabellocaties zijn gekozen. De totale circuitlengte van de vier kabels bedraagt ​​678 km.

De bevindingen tonen aan dat de belangrijkste hindernis bij het integreren van kabels, de behoefte aan een hoge blindvermogencompensatie voor langere kabeltrajecten is. Er is een aanvankelijke complexiteit als gevolg van spanningsschendingen, maar de impact van kabels is niet significant in de geanalyseerde gevallen. Afhankelijk van de keuze van de compensatiestrategie kan worden vastgesteld dat de blindvermogenstroom de gedefinieerde limieten overschrijdt, zelfs in niet-verdeelde situaties (N-0) bij hoge kabelpenetratieniveaus.

reactive power management complexity curve

Figuur 3. Complexiteitscurve voor reactief energiebeheer

complexity curves

Figuur 4. Complexiteitscurves voor elk fenomeen

De tweede hindernis die de totale kabellengte beperkt, is de resonantietoestand. De tweede resonantie-KPI (de emissie van de 5e, 7e, 11e en 13e harmonische) overschrijdt de drempel van 45%, wat overeenkomt met een totale circuitlengte van 271 km. Het effect van harmonische filters is in dit rapport niet in overweging genomen, maar de verwachting is dat de installatie van dergelijke filters een hogere CHC mogelijk maakt. De studie heeft geen universele maximale kabellengte-limiet geïdentificeerd, aangezien elk net zijn eigen respectievelijke lay-out en componenten heeft die van invloed zijn op de installatie van kabels. De CHC-metriek kan een goede allesomvattende benadering zijn om bepaalde netwerken te bestuderen en om de kabellimiet van het systeem te identificeren, maar een analyse van geval tot geval is vereist om het effect van elke in het systeem geïntegreerde kabel volledig te begrijpen.

De KPI-benadering, zoals geïntroduceerd in deze studie, opent de weg naar een gestandaardiseerde en uniforme evaluatie van de CHC in elk gegeven transmissiesysteem. De studie houdt geen rekening met economische aspecten, noch met aspecten als betrouwbaarheid of levenscyclusanalyse. Deze zouden in een alomvattende evaluatie moeten worden overwogen. Het primaire doel van deze studie is om kabelintegratie vanuit een puur technisch en systeembeheer perspectief te bekijken en zo inzicht te geven in verbeterpunten voor ondergrondse kabeltechnologie. De bedoeling is om een ​​reeks besluitvormingstools verder te ontwikkelen om TSO's te helpen zich voor te bereiden op een toekomst met meer kabels die in hun netwerken zijn geïntegreerd, en om het besluitvormingsproces te ondersteunen tijdens de systeemplanning.

Bibliografie

[1] ENTSO-E, “Statistical Factsheet 2018,” Brussels, 2018.

[2] ENTSO-E, “2025, 2030, 2040 Network Development Plan 2018 Connecting Europe: Electricity,” ENTSO-E, Brussels, 2018.

[3] Cigre, “Implementation of long AC HV and EHV cable systems,” Cigre Working Group B1.47, vol. 680, p. 190, 2017.

[4] L. Colla, M. Gabrieli, A. Iliceto, M. Rebolini, S. Lauria, P. Grima, J. Vassallo, B. Zecca and B. Venturini, “HVAC submarine cable links between Italy and Malta. Feasibility of the project and system electrical design studies,” Cigre, Vols. B1-104, 2010.

[5] L. S and S. G, “Hybrid high capacity transmission circuits - challenges for XLPE cables in series with EHV overhead lines,” Jicable, June 2011.

[6] Cigre, “Statistics of AC underground cables in power networks,” Working Group B1.07, Dec 2007.