Conceptual design and optimization of hybrid AC/DC power systems

Abstract

The European electricity grid faces increasing challenges due to the energy transition and growing electrification. The decentralized and volatile feed-in of large amounts of energy from renewable energy sources can lead to line overloads and voltage violations during high feed-in moments. The deployment of hybrid transmission systems appears to be a possible solution to address these difficulties in the future. Hybrid systems combine direct and alternating current technologies, allowing the advantages of both technologies to be utilized. Hybrid systems enable the targeted controllability of power flows and voltage regulation. This is facilitated by the converter stations implemented as voltage-source converters, which ensure nearly independent control of active and reactive power. In this work, an open-source extension based on Python for Power System Analysis (PyPSA) is developed to facilitate the modeling and anal- ysis of the steady-state operational behavior of hybrid systems.. Furthermore, the optimized operation of the dc links is examined, and an innovative operational method is developed using two optimization problems. This extension is then integrated into the PyPSA environment. The method allows for the calculation of the setpoints for the existing voltage-source converters in the system such that system-wide loadings are reduced and voltages are balanced. The developed extension is applied on a test grid, considering various scenarios. The results show that the optimized operational method of hybrid systems can reduce line loadings and mitigate voltage violations. In the context of grid planning and grid operation in Austria, this provides a new perspective on the possible integration of DC systems into the existing AC grid.

Das europäische Stromnetz steht aufgrund der Energiewende und zunehmenden Elektrifizierung vor wachsenden Herausforderungen. Die dezentrale und volatile Einspeisung großer Energiemengen von erneuerbaren Energiequellen kann in Momenten hoher Einspeisung zu Leitungsüberlastungen und Spannungsverletzungen führen. Der Einsatz hybrider Übertragungsnetze erscheint als möglicher Lösungsansatz, um mit diesen Schwierigkeiten in Zukunft umgehen zu können. Hybride Systeme vereinen die Gleichstrom- und Wechselstromtechnik, wodurch der Vorteil beider Technologien nutzbar gemacht werden kann. Hybride Systeme ermöglichen die gezielte Steuerbarkeit der Lastflüsse sowie Spannungsregelung. Dies wird durch die als voltage-source converter ausgeführten Umrichterstationen ermöglicht, welche die nahezu unabhängige Wirk- und Blindleistungsregelung gewährleisten. Für die Modellierung des statischen Betriebsverhaltens wird in dieser Arbeit eine auf Python for Power System Analysis (PyPSA) basierende open-source Erweiterung entwickelt, womit hybride Systeme modellierbar und analysierbar werden. Darüber hinaus wird die optimierte Betriebsführung der dc-Links untersucht und mithilfe von zwei Optimierungsmethoden eine innovative Betriebsführung entwickelt und in die PyPSA Umgebung integriert. Die Methode erlaubt die Berechnung der Stellwerte für die im System vorhandenen voltage-source converter so, dass systemweit die Auslastungen reduziert und die Spannungen angeglichen werden. Die entwickelte Erweiterung wird anhand eines Testnetzes unter Berücksichtigung verschiedener Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die optimierte Betriebsführung von Hybridsystemen die Leitungsauslastungen reduziert und Spannungsverletzungen abgemildert werden können. Im Kontext der österreichischen Netzplanung und Netzbetriebsführung ergibt sich dadurch eine neue Sichtweise auf die mögliche Integration von DC Systemen in das bestehende AC Netz.