06-05-2021

In deze Expert Talk wordt besproken waarom HVDC-technologie in de toekomst van essentieel belang zal zijn om een stabiele en betrouwbare werking van het elektriciteitssysteem tegen een betaalbare kostprijs te waarborgen. 

Geschreven door Hakan Ergun, Onderzoeksexpert in Beslissingsondersteuning voor netwerkoperatoren bij EnergyVille/KU Leuven en Jef Beerten, professor bij EnergyVille/KU Leuven.


In het verleden werd de HVDC-technologie (High-Voltage Direct Current) voornamelijk gebruikt voor bulktransmissie van elektriciteit over lange afstanden van meer dan 500 km en vanwege de voordelen op het gebied van verbetering van de netwerkstabiliteit en lage transmissieverliezen, alsook voor de onderzeese verbinding van asynchrone netwerken. Tot op heden is het langste en hoogst gewaardeerde transmissiesysteem gerealiseerd in HVDC-technologie. De verbinding Changji - Guquan in China, met een vermogen van 12 GW, strekt zich uit over meer dan 3000 km. Ter vergelijking: de gemiddelde piekvermogensvraag in België bedraagt ongeveer 13,5 GW.

De afgelopen 15 jaar heeft de HVDC-technologie een groot aantal nieuwe toepassingen gevonden, zoals de aansluiting van offshore windmolenparken, voornamelijk dankzij de snelle ontwikkelingen op het gebied van de spanningsbronconvertortechnologie (VSC) en ondergrondse/onderzeese XLPE-kabels. Door gebruik te maken van VSC-technologie zijn HVDC-verbindingen een belangrijk alternatief geworden voor traditionele projecten voor de uitbreiding van onshorenetwerken. De INELFE-verbinding tussen Spanje en Frankrijk en de ALEGrO-verbinding tussen België en Duitsland zijn belangrijke voorbeelden van dergelijke projecten, waarbij VSC HVDC om technische, milieu- en economische redenen de voorkeur heeft gekregen boven de klassieke AC-technologie.

De ontwikkeling van VSC-convertortechnologie heeft ook de deur geopend om meerdere HVDC-verbindingen te verbinden tot een vermaasd netwerk, dat in de toekomst als een overlay-netwerk zou kunnen dienen [1]. In China, waar in de afgelopen decennia meer dan 20 HVDC-verbindingen in het hele land zijn ontwikkeld, is in 2021 het eerste vermaasde HVDC-netwerk in Zhangbei met VSC-technologie in bedrijf genomen [2].

offshore wind

Hernieuwbare energiebronnen, de noodzaak van netuitbreiding en de rol van HVDC-netten

Volgens het International Renewable Energy Agency is er tot nu toe wereldwijd meer dan 20 GW offshore windcapaciteit geïnstalleerd, en de verwachting is dat dit 230 GW zal bedragen in 2030. De meeste ontwikkelingen zullen plaatsvinden in Europa, maar ook van Azië wordt verwacht dat het zijn offshore windontwikkelingen zal uitbreiden en tegen 2030 de grootste markt voor offshore wind zal zijn [3]. Volgens WindEurope kan er tegen 2050 tot 450 GW aan offshore wind worden verwacht in Europese wateren [4].

HVDC-technologie is essentieel voor de aansluiting van offshore windenergie op het hoofdtransmissienetwerk.  De aansluiting van dergelijke grote hoeveelheden nieuwe hernieuwbare energie op het elektriciteitsnet zal gepaard gaan met aanzienlijke netwerkinvesteringen. Deze investeringen zullen niet alleen nodig zijn om afgelegen energiebronnen aan te sluiten op de vraagcentra, maar ook om een grotere transnationale interconnectie mogelijk te maken, zodat de grotere elektriciteitsstromen via meerdere wegen kunnen worden geleid en de verwachte congestie van het bestaande elektriciteitstransmissienetwerk kan worden vermeden. Een van die ideeën is de interconnectie van de Noordzeelanden aan de hand van een vermaasd HVDC-netwerk voor de integratie van offshore windenergie enerzijds, en de bevordering van de uitwisseling van elektriciteit tussen die landen anderzijds. Bovendien wordt de hernieuwbare energieopwekking die de klassieke eenheden vervangt, aangesloten via vermogenselektronische convertoren, wat nieuwe innovatieve benaderingen en langetermijninvesteringen zal vergen om de stabiliteit van het elektriciteitsnet te verbeteren en zo het hoofd te bieden aan een afname van de traagheid van het elektriciteitssysteem. HVDC-technologie kan een reeks oplossingen bieden om de stabiliteit van het systeem te verbeteren [5].

HVDC technologie neemt een hoge vlucht

In het licht van deze massale inzet van hernieuwbare, op elektriciteit gebaseerde opwekking, zullen vermaasde HVDC-netwerken een sleutelrol spelen om een betaalbare en betrouwbare elektriciteitstransmissie op Europese schaal mogelijk te maken. Op dit moment is de gelijkstroomtechnologie wereldwijd in opkomst. Figuur 1 toont het vermogen en de spanning van de tot dusver in bedrijf zijnde VSC HVDC-installaties, waaruit duidelijk blijkt dat het aantal installaties en de transmissiecapaciteiten ervan een stijgende tendens vertonen. Verwacht wordt dat het aantal installaties tegen 2030 meer dan verdubbeld zal zijn.

VSC HVDC

Figuur 1 - Installatiejaar, spanningsniveau en vermogen van wereldwijde VSC HVDC-installaties, gegevens verkregen van [6]

Bekijk de grafiek in een groter formaat hier

Volgens het Europees netwerk van transmissiesysteembeheerders voor elektriciteit (ENTSO-e) wordt verwacht dat tegen 2030 alleen al 59% van de investeringen in transmissienetwerken in Europa zal gebeuren in gelijkstroomtechnologie [7]. Ook wordt in een studie van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL) geconcludeerd dat HVDC-interconnecties op continentaal niveau aanzienlijke kostenbesparingen zullen opleveren in de aanwezigheid van grote hernieuwbare energiebronnen [8].

Waarom zijn specifiek HVDC-netten een aantrekkelijke oplossing?

Interconnectie: Een van de belangrijkste voordelen van de HVDC-technologie in het algemeen is de mogelijkheid om asynchrone netwerken met elkaar te verbinden, wat niet mogelijk is met de klassieke wisselstroomtechnologie. Op die manier kunnen meerdere transmissienetwerken, zoals die in het VK, Ierland, de Noordse regio en continentaal Europa, met elkaar worden verbonden. Meer van dat soort verbindingen in Europa zou betekenen dat stroom opgewekt door hernieuwbare energiebronnen gemakkelijker kan worden uitgewisseld op het hele continent en kan worden getransporteerd naar verder weg gelegen belastingcentra. Vermaasde HVDC-netten zullen uiteindelijk minder convertoren vereisen dan de punt-tot-punt-verbindingen die momenteel in Europa worden gebruikt. In plaats van één enkele verbinding voor één enkel doel (bijvoorbeeld het aan land brengen van afgelegen offshore windenergie, of het onderling verbinden van verschillende niet gesynchroniseerde zones) zullen de investeringskosten verder worden gedrukt door zogenaamde "hybride systemen" waarin verschillende functionaliteiten worden gecombineerd.  Dergelijke systemen kunnen zich uiteindelijk ontwikkelen tot grotere HVDC-netten, die op hun beurt zelfs de eerste stappen zouden kunnen vormen in de richting van een wereldwijd gelijkstroomelektriciteitsnet [9]. Dergelijke intercontinentale netwerken zouden moeten worden gerealiseerd in HVDC-technologie, aangezien klassieke AC-transmissielijnen van meer dan 400 km stabiliteitsproblemen in het netwerk veroorzaken, en de installatie vereisen van vermogenselektronische apparatuur om de stabiliteit te verbeteren, de zogenaamde flexibele AC-transmissieapparatuur (FACTS).

Economische aspecten: Voor bovengrondse transmissie over lange afstanden van meer dan 300 à 400 km biedt HVDC-technologie een veel betere rentabiliteit in vergelijking met AC-technologie, dankzij de lage transmissieverliezen [10]. Het is ook een technologie waaraan de voorkeur wordt gegeven voor ondergrondse kabelverbindingen van meer dan 100 km, dankzij de goedkopere kabels in vergelijking met AC-technologie, die de extra kosten van de vermogenselektronische converters goedmaken [10]. Voor transcontinentoverschrijdende of intercontinentale transmissienetwerken is het gebruik van HVDC-technologie dus een voor de hand liggende keuze.

Flexibiliteit: Op dit moment is spanningsbronconvertor (VSC) de meest gebruikte HVDC-convertortechnologie voor nieuwe installaties. De technologie heeft zich ontwikkeld van de klassieke twee- en drietrapsconvertortopologieën tot modulaire meertrapsconvertoren (MMC), die nu de de-facto industriestandaard zijn. De technologie biedt een aantal interessante mogelijkheden voor een flexibele en veilige werking van het netwerk. Spanningsbronconvertoren kunnen onafhankelijk van elkaar het geïnjecteerde actieve en reactieve vermogen regelen, wat de broodnodige flexibiliteit biedt bij de regeling van actieve vermogensstromen en het beheer van reactief vermogen van transmissienetwerken. Dergelijke mogelijkheden zijn benut in geïntegreerde HVDC-verbindingen, b.v. de ALEGrO-verbinding tussen België en Duitsland en de INELFE-verbinding tussen Frankrijk en Spanje, als alternatief voor de klassieke uitbreiding van het wisselstroomnet.

Veiligheid en stabiliteit: De snelle regelbaarheid van HVDC-systemen biedt een aantal mogelijkheden om de stabiliteit en de veiligheid van het elektriciteitssysteem te verbeteren, door de invoering van regelingsfuncties zoals de mogelijkheid tot blackstart, demping van vermogensoscillatie, regeling van de wisselspanning, en binnen afzienbare tijd de levering van synthetische inertie van het net.

Samenvattend kan worden gesteld dat in netten die worden gedomineerd door hernieuwbare energiebronnen met een beperkte inertie en snelle veranderingen in de opwekking van en de vraag naar elektriciteit, de door HVDC-technologie geboden netflexibiliteit van essentieel belang zal zijn om een stabiele en betrouwbare werking van het elektriciteitssysteem tegen een betaalbare kostprijs te waarborgen. 

Hoogspanning

Welke uitdagingen moeten overwonnen worden?

Om HVDC-netwerken voor de integratie van hernieuwbare energie op wereldschaal mogelijk te maken, moeten een aantal uitdagingen op het gebied van onderzoek en ontwikkeling worden overwonnen. Tot dusver zijn alle HVDC-projecten uitgevoerd als kant-en-klare projecten van één leverancier, hetgeen niet kan worden verwacht van een grootschalig vermaasd HVDC-netwerk. Een van de belangrijkste uitdagingen die in dat verband moeten worden aangepakt, is te zorgen voor de multi-vendor interoperabiliteit van verschillende HVDC-systemen en -componenten en toe te werken naar standaardisering van de besturings- en beveiligingsfuncties.

De bescherming van het HVDC-net moet verscheidene grootteordes sneller zijn dan de bescherming van het wisselstroomnet en steunt op een radicaal andere technologische aanpak dan de huidige praktijken voor wisselstroomsystemen. Ook de besturing van het HVDC-net moet verscheidene ordegroottes sneller zijn dan zijn AC-tegenhanger.

Om de stabiliteit van het HVDC-net in combinatie met het wisselstroomsysteem te waarborgen, moeten de interacties tussen de hiërarchische regelkringen van verschillende converters, bv. snelle interne regelkringen, wijzigingen van setpoints door de operator en HVDC-netcontrole worden afgebouwd. Bovendien moeten ook de interacties met andere vermogenselektronische converters, bv. hernieuwbare energieopwekkingsactiva, worden ontkoppeld om algemene instabiliteit van het net te voorkomen. Naast de technische aspecten van de regelsystemen moeten voor de exploitatie van transnationale overlay HVDC-netten nieuwe operationele procedures worden vastgelegd voor een betrouwbare en stabiele exploitatie van het systeem.

Om deze doelstellingen te bereiken zijn nieuwe types computermodellen nodig voor een gedetailleerde en uitvoerbare modellering van de HVDC-systemen, op component-, onderstation-, schakel- en netwerkniveau, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde simulatie- en optimalisatietechnieken, hetgeen de focus is van het HVDC-onderzoek bij EnergyVille.

Waarom zijn HVDC-netten essentieel voor de energietransitie?

HVDC-netten zijn een flexibele en economisch haalbare oplossing om afgelegen hernieuwbare energiebronnen op het hoofdnet aan te sluiten en de interconnectie tussen meerdere landen te verbeteren. HVDC-systemen bieden een aantal technische mogelijkheden die essentieel zijn voor de werking van het systeem in aanwezigheid van een groot aandeel van hernieuwbare energiebronnen. Hoewel een aantal technische uitdagingen moet worden overwonnen om HVDC-netwerken op grote schaal te kunnen invoeren, kan dit worden bereikt door de juiste O&O-prioriteiten te stellen en te investeren in demonstratieprojecten in de praktijk.

Hakan Ergun

Contact

Hakan Ergun

Researcher power system modelling and optimisation at EnergyVille/KU Leuven

Referenties

[1] Ergun, H., Beerten, J., Van Hertem, D. (2012). Building a new overlay grid for Europe. In: Proceedings of the IEEE PES General meeting 2012, (1-10). Presented at the IEEE PES General Meeting, San Diego, 22 Jul 2012-26 Jul 2012. ISBN: 978-1-4673-2729-9. doi: 10.1109/PESGM.2012.6344805

[2] X. Guo, Y. Zhou, N .Mei ,and B. Zhao, Construction and Characteristic Analysis of Zhangbei Flexible DC Grid, Power System Technology, vol. 42, no. 11, Nov. 2018

[3] IRENA, Future of Wind Deployment, Investment, Technology, Grid Integration and Socio-Economic Aspects, 2019

[4] WindEurope, Our energy, our future - How offshore wind will help Europe go carbon-neutral, November 2019

[5] H.F. Latorre, M. Ghandhari, Improvement of power system stability by using a VSC-HVdc, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 33, Issue 2,

2011, Pages 332-339, ISSN 0142-0615, https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2010.08.030.

[6] M. Barnes, J. Andrews, VSC – HVDC Newsletter, Vol. 9, Issue 4., 28.04.2021

[7] ENTSO-e, Ten Year Network Development Plan 2020, Main Report, January 2021, Version for ACER opinion.

[8] Bloom, Aaron, et al. The Value of Increased HVDC Capacity Between Eastern and Western US Grids: The Interconnections Seam Study. No. NREL/JA-6A20-76850. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2020.

[9] Wang, M., An, T., Ergun, H., Lan, Y., Andersen, B., Szechtman, M., Leterme, W., Beerten, J., Van Hertem, D. with Wang, M. (corresp. author) (2020). Review and outlook of HVDC grids as backbone of the transmission system. CSEE Journal of Power and Energy Systems. doi: 10.17775/CSEEJPES.2020.04890

[10] H. Ergun, D. Van. Hertem, D. Van, G. Oriol, and J. Liang, “Comparison of HVAC and HVDC technologies,” HVDC Grid: For Offshore and Supergrid of the Future, pp. 79–96, 2016.