Technical and Economic Impact of the Deployment of a VSC-MTDC Supergrid with Large-scale Penetration of Offshore Wind

Abstract

Esta tesis estudia el impacto técnico-económico del posible desarrollo de una superred (supergrid) en corriente continua. El desarrollo de la tecnología VSC (Voltage Source Converter) para redes en corriente continua de alta tensión (HVDC), permite lograr topologías de múltiples terminales y malladas, proporcionando caminos alternativos a la energía eléctrica en caso de que exista algún tipo de contingencia. Esto es especialmente relevante para poder incorporar al sistema europeo toda la energía eólica marina proveniente del Mar del Norte de una manera fiable. Además, también es posible construir corredores en HVDC en tierra para aumentar la capacidad de interconexión de distintas zonas. Sin embargo, antes de desarrollar esta superred, es necesario evaluar su impacto, tanto desde el punto de vista técnico como económico. Esta tesis propone dos modelos de Flujo de Cargas Óptimo (Optimal Power Flow, OPF) para optimizar el despacho de la generación teniendo en cuenta las restricciones de red (tanto AC como DC), incorporando un modelado detallado de los convertidores. El primer modelo es un modelo no lineal (NLP-OPF) que representa las ecuaciones de manera muy precisa y que permite servir como modelo de validación de resultados. El segundo modelo es un modelo donde se linealiza todo el conjunto de ecuaciones (LP-OPF), y que permite ser utilizado para sistemas de tamaño realista como se muestra en el caso de aplicación. Uno de los resultados de la tesis es que en función de cómo se modelen las pérdidas de los convertidores, el resultado del OPF puede variar sustancialmente. Respecto a la aplicación del LP-OPF, el caso ejemplo estudiado es un escenario del sistema europeo en el año 2030 que se ha construido a partir de información recapitulada en el contexto del proyecto europeo Best-Paths, donde se ha evaluado el impacto que tendría el desarrollo de una red en el mar del norte para incrementar la potencia eólica instalada hasta 45 GW. Finalmente, la tesis presenta también una revisión de cuáles son las tecnologías más prometedoras para mejorar el sistema de transporte (tanto AC como DC) y presenta una discusión de cuáles son las barreras técnicas, económicas y regulatorias que pueden impedir su desarrollo en el futuro.

This thesis studies the technical-economic impact of the possible development of a direct current supergrid. The development of VSC (Voltage Source Converter) technology for high voltage direct current (HVDC) networks, allows to achieve multi-terminal and meshed topologies, providing alternative ways to electric power in case there is any type of contingency. This is especially relevant in order to be able to incorporate the entire offshore wind energy from the North Sea into the European system in a reliable manner. In addition, it is also possible to build corridors in HVDC on land to increase the interconnection capacity between different zones. However, before developing this supergrid, it is necessary to evaluate its impact, both from a technical and an economic point of view. This thesis proposes two models of Optimal Power Flow (OPF) to optimize the generation dispatch taking into account the network constraints (both AC and DC), and by considering a detailed modeling of the converters. The first model is a non-linear model (NLP-OPF) that represents the equations in a very precise way and that can serve as a benchmark model. The second model is a model where the whole set of equations is linearized (LP-OPF), and that makes it possible to apply it to realistic size problems as shown in the application case. One of the results of the thesis is that depending on the methodology followed to model the losses of the converters, the results of the OPF can vary substantially. Regarding the application of the LP-OPF, the example case studied in this thesis is a scenario of the European system in year 2030 that has been elaborated from information recapitulated in the context of the European project Best-Paths, where the impact that the development of a network in the North Sea to increase the installed wind power up to 45 GW is assessed. Finally, the thesis also presents a review of what are the most promising technologies to improve the transmission system (both AC and DC), and presents a discussion of the technical, economic and regulatory barriers that may prevent from its future development.