Continue werking van vermaasde HVDC-netwerken tijdens DC fouten: Integratie en ontwerp van HVDC-vermogensschakelaar vanuit een systeemperspectief

Ontwikkelingen van Voltage-Source Converter (VSC) -technologie hebben de massale integratie van hernieuwbare energiebronnen met behulp van High Voltage Direct Current (HVDC) -technologie mogelijk gemaakt. Grootschalige HVDC-netwerken bieden de vereiste flexibiliteit en betrouwbaarheid voor toekomstige transmissiesystemen met een hoge penetratie van intermitterende hernieuwbare energiebronnen. In het geval van fouten zoals kortsluitingen aan de DC-zijde treden echter snel stijgende stromen met een hoge stationaire waarde en wijdverbreide verstoring van het systeem op. Om deze nadelige effecten te voorkomen, moet de foutstroom aan de DC-zijde worden gewist in het millisecondebereik, wat minstens tien keer sneller is dan voor AC-beveiliging.

HVDC-vermogensschakelaars (DCCBs) zullen naar verwachting op grote schaal worden geïnstalleerd in grootschalige HVDC-netwerken. Het DCCB-ontwerp voor een DC netwerk is echter om verschillende redenen complex en uitdagend. Ten eerste bestaan er veel DCCB-technologieën met verschillende bedrijfstijden, maar er is nog geen keuze gemaakt welke technologie optimaal is voor grootschalige vermaasde HVDC-netwerken. Ten tweede beïnvloedt het DCCB-ontwerp de werking van het netwerk tijdens DC fouten en in post-foutcondities. Ten derde bestaan er geen efficiënte methoden voor het berekenen van DC foutstromen. Momenteel zijn er nog geen volledige methoden om alle DCCB-parameters te bepalen, zoals DCCB-bedrijfstijd, lijninductorwaarde en onderbrekingsvermogen.

Dit proefschrift biedt de fundamentele concepten, benaderingen en hulpmiddelen voor het ontwikkelen, onderzoeken en evalueren van de beveiliging van HVDC-netwerken met behulp van DCCBs, rekening houdend met verschillende DCCB-technologieën. Eerst worden drie scenarios voorgesteld die de prestaties van het HVDC-netwerk beschrijven tijdens DC fouten, gaande van de meest tot de minst strikte prestaties. Ten tweede wordt een visuele benadering ontwikkeld die de DCCB-parameters karakteriseert. Deze visuele tool geeft inzicht in de onderlinge afhankelijkheid en afwegingen die moeten worden gemaakt betreffende de DCCB-parameters zodat deze optimaal kunnen worden geselecteerd. Er wordt aangetoond dat de overgang van het meest naar het minst strikte scenario leidt tot een versoepeling van de DCCB-parameters. Het versoepelen van DCCB-beperkingen kan echter leiden tot een complexere werking van converters tedens postfoutcondities. Ten derde wordt het herstel na een fout onderzocht door een diepgaande analyse en nieuwe inzichten te geven in de interacties tussen de omvormers en het netwerk tijdens het herstelproces, naast het ontwikkelen van nieuwe methoden om het foutherstel te verbeteren. Deze methoden tonen een effectieve vermindering van ongewenste oscillaties tijdens het herstelproces. Ten vierde worden in dit proefschrift ook de nodige benaderingen ontwikkeld om de DCCB-parameters efficiënt te schatten. Deze benaderingen helpen bij het vergemakkelijken van het onderzoek naar DCCB-vereisten voor meerdere scenario's in toekomstige grootschalige vermaasde HVDC-netwerken op een geautomatiseerde manier met acceptabele rekeninspanning en voldoende nauwkeurigheid. Ten vijfde wordt een verbeterde DCCB-topologie voorgesteld gebruikmakende van actieve resonantie om de onderbrekingsprestaties van de mechanische onderbreker te verbeteren. Dit zorgt voor een toename van het DCCB-uitschakelvermogen, een kortere onderbrekingstijd en bijgevolg verminderde DCCB-vereisten. Samengevat opent dit proefschrift een bredere kijk op het ontwerp van selectieve beveiliging van HVDC-netwerken, wat de integratie en het ontwerp van DCCBs met een breed scala aan bedrijfstijden mogelijk maakt.