[논문 리뷰] North Sea Wind Power Hub: System Configurations, Grid Implementation and Techno-economic Assessment

George S. Misyris, Thierry Van Cutsem외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 10.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 노르웨이 해상 풍력 허브 개념을 평가하며, 해상 송전망 구성, 저관성 또는 영관성 조건에서의 시스템 운영, 그리고 EMT 및 페이저 모델을 사용한 모델 정밀도를 분석한다. 연구 결과, 명칭 주파수 고전압 DC 송전망이 가장 비용 효율적이며, 영관성 시스템은 더 나은 감쇠를 보이지만 고장 완화를 위해 동기축속기(generator)가 필요하며, 네트워크 고유주파수가 잘 감쇠되어 있다면 페이저 모델은 충분히 정확하다고 결론내린다.

ABSTRACT

In 2017, Energinet and TenneT, the Danish and Dutch Transmission System Operators (TSOs), have announced the North Sea Wind Power Hub (NSWPH) project. The project aims at increasing by 36 GW the North Sea offshore wind capacity, with an artificial island collecting all the power produced by wind turbines and several HVDC links transmitting this power to the onshore grids. This project brings together new opportunities and new challenges, both from a technical and economic point of view. In this regard, this paper presents three analyses regarding the design and operation of such an offshore system. First, we perform a techno-economic assessment of different grid configurations for the collection of the power produced by wind farms and its transmission to the hub. In this analysis, two frequencies and two voltage levels for the operation of the offshore grid are investigated. Our findings show that the nominal-frequency high-voltage option is the more suitable, as low-frequency does not bring any advantage and low-voltage would results in higher costs. The second analysis is related to the differences in operating the system with low- or zero-inertia; different dynamic studies are performed for each configuration to identify proper control actions and their stability properties. Comparing the outcomes of the simulations, we observed that voltage and frequency oscillations are better damped in the zero-inertia system; however, the risk of propagating offshore faults in the connected onshore grids is mitigated with the inclusion of the synchronous condensers. Lastly, a comparison of ElectroMagnetic Transient (EMT) and phasor-mode (also known as RMS) models is presented, in order to understand their appropriateness of simulating low- and zero- inertia systems. The results show that phasor approximation modelling can be used, as long as eigen-frequencies in power network are well damped.

연구 동기 및 목표

• 노르웨이 해상 풍력 허브의 해상 송전망 구성에 대해 비용과 기술적 타당성 측면에서 평가하기.
• 저관성 및 영관성 운영 조건에서의 시스템 안정성 및 제어 요구사항 평가하기.
• 저관성 및 영관성 시스템에서 전자기순시(EMT) 모델과 페이저모드(RMS) 모델의 정확성과 적용 가능성을 비교하기.
• 기술경제성 및 동적 성능 기반으로 해상 DC 송전망의 최적 전압 및 주파수 수준 도출하기.
• 영관성 시스템에서 고장 확산 위험을 완화하는 데 있어 동기축속기의 역할 규명하기.

제안 방법

• 해상 AC/DC 송전망에 대해 두 전압 수준(고전압 및 저전압)과 두 주파수 수준(명칭 주파수 및 저주파수)을 비교하는 기술경제 평가 수행하기.
• 저관성 및 영관성 운영 조건에서의 전압 및 주파수 진동을 분석하기 위해 동적 시뮬레이션 수행하기.
• 영관성 시스템에 동기축속기를 도입하여 고장 내성 및 안정성에 미치는 영향 평가하기.
• 전기순시(EMT) 모델과 페이저모드(RMS) 모델을 비교하여 일시적 안정성 연구에서의 모델 정밀도 평가하기.
• 고유값 분석을 통해 네트워크 모드의 감쇠 정도 평가하고, 페이저 모델이 유효한 조건 파악하기.
• HVDC 링크 및 풍력발전단지의 세부 모델링을 포함한 전력시스템 시뮬레이션 도구를 사용해 다양한 송전망 구성에서의 시스템 성능 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노르웨이 해상 풍력 허브의 해상 송전망에서 전압 수준과 주파수 조합 중 기술 성능과 비용 간의 최적 균형을 이루는 것은 무엇인가?
• RQ2 영관성 조건에서 운영할 경우 저관성 조건과 비교해 전압 및 주파수 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 영관성 해상 송전망에서 안정적인 운영을 확보하기 위해 필요한 제어 전략는 무엇이며, 동기축속기는 고장 내성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 페이저모드(RMS) 모델이 저관성 및 영관성 시스템의 동적 거동을 정확히 표현할 수 있는 조건는 무엇인가?
• RQ5 다양한 관성 조건에서 해상 송전망의 고장이 상륙망으로 확산되는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 명칭 주파수 고전압 DC 송전망 구성이 가장 비용 효율적이며, 저주파수에서는 이점이 없고 저전압은 비용을 크게 증가시킨다.
• 동적 시뮬레이션에서 영관성 시스템은 저관성 시스템보다 전압 및 주파수 진동의 감쇠가 더 우수하다.
• 동기축속기를 도입함으로써 영관성 시스템에서 고장이 상륙망으로 확산되는 위험을 효과적으로 완화할 수 있다.
• 네트워크 고유주파수가 잘 감쇠되어 있다면 페이저모드(RMS) 모델은 저관성 및 영관성 시스템의 동적 거동을 시뮬레이션하는 데 적합하다.
• 저주파수 운영은 기술적 이점이 없으며, 손실과 장비 비용이 증가해 명칭 주파수 운영보다 열등하다.
• 고전압과 명칭 주파수를 사용할 경우 해상 송전망의 기술적 및 경제적 성능이 가장 유리하여, 노르웨이 해상 풍력 허브 개념의 실현 가능성을 뒷받침한다.