Onderzoeksproject P7/02 (Onderzoeksactie P7)
Tijdens de vorige fasen van het IAP programma hebben de leden van het consortium met succes geavanceerde numerieke methoden ontwikkeld voor het analyseren en simuleren van diverse gekoppelde elektromagnetische problemen, met de nadruk op elektrische energie-omzetters en systemen. In het laatste IAP programma werden, met behulp van deze numerieke methoden, toepassingen geoptimaliseerd, meetresultaten geanalyseerd en geïnterpreteerd door het oplossen van inverse problemen, en werden modelparameters geïdentificeerd. In de voorgestelde nieuwe fase van het IAP programma wil het uitgebreide consortium zich richten op de logische "volgende stap”, namelijk het modelleren en beheren van complete elektrische energiesystemen (meerdere elektrische energie apparaten met elkaar verbonden door een elektriciteitsnet), gebaseerd op de metingen en de oplossing van inverse problemen.
Dit probleem is inherent multidimensionaal (in ruimte en tijd), aangezien de interacties in de kleinste schaal grote invloed kunnen uitoefenen op de oplossing van het probleem in de grootste schaal. Inzicht in dit gedrag op verschillende schaal wordt steeds belangrijker aangezien het elektriciteitssysteem evolueert naar een complex systeem van onderling verbonden gedistribueerde bronnen en elektronisch gestuurde lasten, en bijgevolg minder en minder natuurlijke, stabiliserende inertie bevat.
Het huidige project betreft fundamenteel onderzoek op dit gebied. Drie belangrijke onderdelen kunnen worden onderscheiden:
● Wiskundige modellering van elektrische energiesystemen
● Toepassing van de ontwikkelde modellen in elektrische energiesystemen
● Validatie van de voorgestelde modellen en methoden
Het is duidelijk dat een geschikte modellering van de extreem lage inertie in elektrische energiesystemen een fundamenteel nieuw kader vereist omdat klassieke methoden allen gebaseerd zijn op de aanwezigheid van inertie en gekoppelde energieopslag. Dergelijke modellering is bijgevolg een voorwaarde voor de massale inzet van hernieuwbare energiebronnen als onderdeel van het huidige energiebeleid.
Deel 1. Wiskundige modellering van elektrische energiesystemen
In een eerste deel worden nieuwe numerieke modellen voor multidimensionele elektrische energiesystemen onderzocht en ontwikkeld. De partners onderzoeken modelreductie technieken om tijdrovende numerieke modellen voor generatie en verbruik te vervangen door vereenvoudigde modellen, geschikt voor gebruik in netwerksimulatoren. Een ander doel is het ontwikkelen, analyseren en oplossen van goed gekozen wiskundige modellen, die de dynamica beschrijven van energiesystemen met lage inertie. Tevens wordt rekening gehouden met onzekerheden ten gevolge van stochastische effecten op het niveau van generatie, verbruik en het netwerk (transmissie en distributie). Een laatste probleem dat wordt aangepakt, is de ontwikkeling van geschikte algoritmen voor het beheer van het ogenblikkelijke evenwicht in een elektriciteitsnet. Dit is onderdeel van de optimalisatie van inverse problemen, waarin het consortium een grote expertise heeft opgebouwd. De fundamentele wiskundige technieken die zijn ontwikkeld moeten voldoen aan een aantal aanvullende eisen in termen van snelheid en robuustheid, en moeten uitgebreid worden getest, zowel onder normale als extreme omstandigheden. Ten slotte moeten de resulterende methoden een gedistribueerde implementatie toelaten en een uitgebreide betrouwbare autonomie garanderen, om storingen in het systeem te vermijden.
Belangrijkste nieuwe ontwikkelingen met het oog op de state-of-the-art:
● Ontwikkeling van snelle ("real-time") vereenvoudigde modellen van de generatoren en lasten;
● De ontwikkeling van nieuwe, uitgebreide wiskundige modellen voor netwerken met lage inertie;
● Convergentie en foutenanalyse van de numerieke berekeningen en de betrouwbaarheid van de verkregen oplossingen;
● Afleiding van nieuwe en verbeterde concepten voor de volgende problemen: integratie van stochastische onzekerheden in (open en gesloten-lus) dynamische systemen, samen met de beoordeling van de robuustheid en stabiliteit van deze systemen;
● Gevoeligheidsanalyse met betrekking tot de onzekere netwerk- en bronparameters;
● Optimale keuze van een regularisatie parameter in slecht opgestelde inverse problemen.
Deel 2. Toepassingen in elektrische energiesystemen
In dit deel worden de modellen, die onderzocht en ontwikkeld zijn in Deel 1, afgestemd voor toepassingen in alle domeinen van elektrische energiesystemen: productie, transmissie, distributie en belastingen en de interconnectie tussen deze componenten. In een eerste werkpakket wordt een object-georiënteerd systeem ontwikkeld voor multi-domein modellen en simulaties van complexe elektrische energiesystemen met een focus op de interconnectie van productie en belasting. Het belangrijkste onderdeel hier is de combinatie van alle werkpakketten van het eerste fundamentele en theoretische deel van dit project, met een speciale focus op het balanceren van de productie, in het bijzonder hernieuwbare energiebronnen, en de belasting van het elektrische energiesysteem. Een ander doel van het consortium is het onderzoeken van verschillende werkingstoestanden van het transmissiesysteem met een extreem lage inertie. Een derde werkpakket focust op de ontwerpmethodologie van controlestrategieën voor microgrids, waarbij rekening gehouden wordt met het feit dat deze geïmplementeerd moeten worden door middel van vermogenelektronische omvormers, het aansluiten van belastingen, productie-eenheden en opslageenheden. Hierbij worden zowel eilandbedrijf als de netgekoppelde mode beschouwd, beide fundamenteel verschillende werkingstoestanden. In een laatste deel worden multidimensionele modellen (zowel in ruimte als tijd) van de belastingen, voornamelijk elektrische aandrijvingen, onderzocht.
Belangrijkste nieuwe ontwikkelingen met het oog op de state-of-the-art:
● Object-georiënteerde beschrijving van componenten van energiesystemen. Dit laat toe flexibele en dynamische elektrische systemen te beschrijven;
● Het gebruik van stochastische elementen in het modelleren van elektrische energiesystemen;
● De ontwikkeling en analyse van controlestrategieën (op verschillende tijdsschalen) voor actieve distributienetwerken (microgrids), waarbij rekening gehouden wordt met het gebrek aan inertie en de karakteristieken van het distributienetwerk;
● Ontwerp van nieuwe netwerkarchitecturen, die een integratie toestaan van gedistribueerde productie;
● Ontwikkeling van tools voor de observatie van actieve distributienetwerken;
● Ontwikkeling van geavanceerde tools voor het optimaliseren van de werking van een net;
● Ontwikkeling van het concept van zelfherstellende (‘self-healing’) concept in actieve distributienetwerken;
● Modellen voor het simuleren van systemen met weinig tot geen inertie;
● Nieuwe geoptimaliseerde controlestrategieën voor de gezamenlijke werking van vermogenelektronische omvormers in HVDC-installaties en in hernieuwbare energiesystemen.
Deel 3. Validatieomgeving
In dit deel van het project worden de ontwikkelde modellen en methodes gevalideerd door middel van reële toepassingen. In een eerste werkpakket worden de modelleringstechnieken en controlestrategieën, afkomstig van Deel 2 van dit project, toegepast op kleinschalige elektrische energiesystemen met een maximale graad van techno-economische autonomie. Deze energiesystemen zijn ofwel op zichzelf staand (microgrid), ofwel gekoppeld aan het elektriciteitsnet (virtual power plant, VPP). Het doel is om enerzijds op een objectieve en neutrale wijze de maximaal haalbare graad van autonomie te bepalen, gegeven de beschikbare technische middelen, en anderzijds de vrijheidsgraden voor apparatuur (bijv. dimensionering) en controle-instellingen optimaal te bepalen binnen een microgrid of VPP.
In een tweede deel van het validatiegedeelte van dit project is het belangrijk om controleschema's te onderzoeken, zowel voor de bronnen van hernieuwbare energie als voor de HVDC controller, die optimaal gebruik maken van de beschikbare energie in toekomstige inertieloze systemen zonder hierbij nadelige effecten te veroorzaken.
In het laatste werkpakket worden de ontwikkelde modellen van gereduceerde orde vanuit de eerste twee delen gebruikt voor simulaties in het tijdsdomein om het dynamisch gedrag te bestuderen van gestuurde vermogenomvormers met elektrische machines als last. Met de verkregen modellen van gereduceerde orde worden hybride simulatoren gebouwd zodat nauwkeurige beschrijvingen kunnen opgenomen worden.
Belangrijkste nieuwe ontwikkelingen met het oog op de state-of-the-art:
● Multi-objectief optimalisatie voor het ontwerp van microgrids en VPP's;
● Validatie van het ontwerp van microgrid/VPP en controlestrategieën door middel van simulaties en (labo) experimenten;
● Validatie van zelfherstellende strategieën inclusief geavanceerde beveiligingen voor actieve distributienetten;
● Validatie van geavanceerde Demand Side Management (DMS) functies voor actieve distributienetten;
● Validatie van de impact van ICT op de performantie van het net (bijvoorbeeld foutlokalisatie en foutherstel);
● Validatie van de operationele strategieën voor sites met hernieuwbare energie die door middel van een DC verbinding ontkoppeld zijn van het hoofdnet.
