ICON LVDC: Aardings- en beveiligingsmethodologie voor niet galvanisch geïsoleerd laagspanningsgelijkstroomnet
De verwachte decarbonisatie en de energietransitie zal in alle industriële sectoren een uitgebreide elektrificatie vereisen. Naarmate fossiele brandstoffen en andere energiebronnen geleidelijk verdwijnen, zal de afhankelijkheid van elektriciteit als primaire energiedrager toenemen, waardoor de continue beschikbaarheid van elektriciteit van cruciaal belang wordt. In deze context winnen laagspanningsgelijkstroomsystemen (LVDC) aan populariteit omdat ze een aantal voordelen bieden, met name op het gebied van energie-efficiëntie, flexibiliteit en de mogelijkheid tot integratie van meerdere onafhankelijke elektriciteitsbronnen, zoals wisselstroomnetten, fotovoltaïsche energie, batterijen en brandstofcellen.
Het bereiken van economische haalbaarheid voor LVDC-integratie op een industriële locatie blijft een uitdaging, vooral als het gaat om het garanderen van effectieve bescherming bij aansluiting op bestaande AC-infrastructuur. Daarom willen we met dit project een nieuwe beveiligingsmethode voor ultra betrouwbare industriële laagspanningsgelijkstroomsystemen (LVDC) op megawattschaal ontwikkelen. De uitdaging is om effectieve bescherming te genereren zonder galvanische scheiding tussen de AC- en DC-systemen, wat cruciaal is voor het minimaliseren van initiële investeringen in brownfield installaties. De beveiligingsmethode zal steunen op de mogelijkheden van nieuwe beveiligingsapparaten die in staat zijn om fouten te elimineren in een tijdspanne van tien μs (100 keer sneller dan conventionele technologieën). De methode zal onderzocht, gemodelleerd en geverifieerd worden in een laboratoriumomgeving en bij succes resulteren in een blauwdruk voor industriële LVDC-systemen voor vergelijkbare industriële locaties, waardoor de robuustheid zal verbeteren en service-to-grid aan een lagere investering zal mogelijk worden.
LVDC-systemen bieden mogelijkheden om op industriële locaties i) lokaal de beschikbaarheid van elektriciteit voor kritische gebruikers te vergroten; ii) lokale energiebronnen te integreren en iii) ondersteuning van het AC net mogelijk te maken. Echter, om LVDC economisch interessant en haalbaar te maken voor een industriële site, moet deze geïntegreerd worden in de bestaande AC-infrastructuur zonder galvanische scheidingstransformator tussen beide systemen (AC-DC).
Dit project wil de introductie van LVDC-netten voor de industrie met megawatt vermogen en industriële toepassingen faciliteren door onderzoek naar de veiligheid en bescherming van deze netten. Het geïntegreerde aardingssysteem tussen de AC- en DC-systemen en de nood aan selectieve foutbeveiliging om een hoge beschikbaarheid te garanderen, vereisen onderzoek naar een aangepaste beveiligingsmethode ondersteund door nieuwe beveiligingsapparaten, zoals solid-state stroomonderbrekers.
Het project zal volgende vijf doelstellingen onderzoeken die de introductie van niet-galvanisch geïsoleerde LVDC-netten in de industrie zullen faciliteren en verder onderzoek zal stimuleren.
- Topologieën van niet-galvanisch gescheiden LVDC netten
Topologieën voor niet-galvanisch gescheiden LVDC-netten zijn essentieel voor netbeheerders, aangezien deze mogelijkheden en beperkingen van omvormers, toevoer, belastingen en het aardingssysteem omvatten, wat nodig is om een toepassing te kunnen kiezen gebaseerd op de vereisten ervan. Deze topologieën zullen het toepassingsgebied voor de overige doelstellingen definiëren.
2. Simulatiemodellen voor niet-galvanisch gescheiden LVDC-netten
Dynamische simulatiemodellen zijn nodig om het storingsgedrag van niet-galvanisch geïsoleerde LVDC-netten te onderzoeken. Deze simulatiemodellen dienen nauwkeurig genoeg te zijn om het storingsgedrag accuraat weer te geven alsook compatible met gewone personal computers binnen aan redelijke tijdsinspanning. Daarbovenop dienen simulatiemodellen common-mode stromen weer te geven die schade kunnen veroorzaken aan toestellen in het onderzochte net.
3. Methode voor het berekenen van foutstromen in niet-galvanisch geïsoleerde LVDC-netten
Voor het ontwerpen van niet-galvanisch geïsoleerde LVDC-netten is een rekenmethode nodig om foutstromen correct in te schatten aangezien deze de dimensionering van kabels, het aardingssysteem en de beveiligingsstrategie bepalen. Deze foutstroomberekeningsmethode zal nauwkeurig genoeg moeten zijn om de worst-case scenario’s weer te geven met een eenvoudige berekening om de hoeveelheid werk te beperken.
4. Beveiligingsmethode voor niet-galvanisch geïsoleerde LVDC-netten
Bij het ontwikkelen van LVDC-netten is een beveiligingsmethode vereist aangezien deze i) veiligheid bieden aan medewerkers door isolatiefouten snel genoeg te onderbreken en elektrocutie te voorkomen; ii) defecte delen van de netten selectief isoleren om de toevoer naar het onbeschadigde deel van het net toe te laten of herstellen en iii) de schade aan bedrijfsmiddelen beperken door foutstromen zo snel mogelijk te onderbreken. Deze beveiligingsmethode dient robuust zijn, d.w.z. ongevoelig voor elektrische storingen in het net en meetonnauwkeurigheden, om ongewenst uitschakelen te voorkomen wat de beschikbaarheid van het systeem zou kunnen schaden. De methode faciliteert de selectie van beveiligingsapparaten, zoals stroomonderbrekers alsook de coördinatie tussen deze apparaten tijdens storingen.
5. Kwantitatieve voordelen van een niet-galvanisch geïsoleerd LVDC-net
Om de toepassing van niet-galvanisch gescheiden LVDC-netten door de industrie te motiveren, dienen de voordelen ten opzichte van gevestigde laagspanningswisselstroomnetten gekwantificeerd te worden. Tevens dienen tekortkomingen geïdentificeerd te worden voor toekomstig onderzoek. Deze doelstelling zal behaald worden door toepassen van de methoden gekoppeld aan doelstellingen 2 en 3 op een industriële use-case.
Partners
Het consortium bestaat uit drie industriële bedrijven: ABB, BASF Antwerpen NV en DEP en EnergyVille/KU Leuven als onderzoeksinstelling.
Het project ontvangt steun van
