[論文レビュー] North Sea Wind Power Hub: System Configurations, Grid Implementation and Techno-economic Assessment

George S. Misyris, Thierry Van Cutsem+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本稿はノルウェー海風力ハブ・コンセプトを評価し、送電網構成、低慣性・ゼロ慣性下でのシステム運用、およびEMTモデルと位相モデルを用いたモデル精度を分析している。結果として、定格周波数の高圧直流送電網が最も費用対効果に優れ、ゼロ慣性システムはより良好な減衰を示すが、故障緩和のため同期コンデンサを要する。また、ネットワーク固有周波数が十分に減衰している場合には位相モデルが十分に有効であることが判明した。

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.

研究の動機と目的

• ノルウェー海風力ハブの送電網構成について、コストと技術的実現可能性の観点から評価すること。
• 低慣性およびゼロ慣性運転条件下におけるシステム安定性および制御要件を評価すること。
• 低慣性およびゼロ慣性システムにおける電磁過渡（EMT）モデルと位相モデル（RMS）の精度および適用可能性を比較すること。
• 技術的・経済的性能と動的特性に基づき、海上直流送電網の最適な電圧および周波数レベルを特定すること。
• ゼロ慣性システムにおける故障伝播リスクの緩和に果たす同期コンデンサの役割を特定すること。

提案手法

• 海上交流／直流送電網の電圧レベル（高・低）と周波数（定格・低）の2通りを比較する技術的・経済的評価を実施すること。
• 低慣性およびゼロ慣性運転下における電圧および周波数の振動を分析するための動態シミュレーションを実施すること。
• ゼロ慣性システムに同期コンデンサを導入し、故障耐性および安定性に与える影響を評価すること。
• 電磁過渡（EMT）モデルと位相モデル（RMS）を比較し、過渡安定性解析におけるモデルの忠実度を評価すること。
• 固有値解析を用いてネットワークモードの減衰を評価し、位相モデルが有効となる条件を特定すること。
• HVDCリンクおよび風力発電所集電系の詳細モデリングを含む、電力系統シミュレーションツールを用いて、さまざまな送電網構成におけるシステム性能を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノルウェー海風力ハブの海上送電網において、電圧レベルと周波数のどの組み合わせが技術的性能とコストのバランスにおいて最良であるか。
• RQ2 ゼロ慣性で運転した場合、低慣性運転と比較して電圧および周波数安定性にどのような影響を与えるか。
• RQ3 ゼロ慣性海上送電網で安定運転を確保するために必要な制御戦略は何か。また、同期コンデンサは故障耐性をどのように向上させるか。
• RQ4 どのような条件下で位相モデル（RMS）が低慣性およびゼロ慣性システムの動的挙動を正確に再現できるか。
• RQ5 さまざまな慣性条件下において、海上送電網からの故障伝播が陸上系統に与える影響は何か。

主な発見

• 定格周波数の高圧直流送電網構成が最も費用対効果に優れており、低周波数は利点を示さず、低電圧ではコストが著しく上昇する。
• 動態シミュレーションにおいて、ゼロ慣性システムは低慣性システムと比較して、電圧および周波数の振動をより良好に減衰させる。
• 同期コンデンサの導入により、ゼロ慣性システムにおける故障伝播リスクが効果的に緩和される。
• ネットワーク固有周波数が十分に減衰している限り、位相モデル（RMS）は低慣性およびゼロ慣性システムのシミュレーションに適している。
• 低周波数運転は技術的利点をもたらさず、損失と設備コストが増加するため、定格周波数運転に比べて不利益が大きい。
• 高電圧および定格周波数を用いることで、海上送電網の技術的・経済的性能が最も良好となり、ノルウェー海風力ハブ・コンセプトの実現可能性を裏付ける。