Innovatief ontwerpproces borgt netwerkstabiliteit Net op Zee-projecten

11 maart 2021

In opdracht van TenneT automatiseert en beveiligt Siemens de netverbindingen van acht offshore windparken die in het kader van Net op Zee worden gerealiseerd. Via Model Based Engineering is een robuuste blindvermogensregelaar voor deze parken ontwikkeld. Deze innovatieve aanpak draagt bij aan een betrouwbaar en duurzaam energienetwerk.

Tot en met 2023 realiseert TenneT 3.500 MW aan netverbindingen voor windparken op zee. Met de oplevering van Borssele Alpha en Beta zijn vorig jaar de eerste 1.400 MW gerealiseerd. De komende jaren volgen Hollandse Kust Zuid Alpha en Beta en Hollandse Kust Noord. Van 2024 tot en met 2030 zal er nog eens 6.1 GW bijkomen, in de windenergiegebieden Hollandse Kust West, ten noorden van de Waddeneilanden en IJmuiden Ver.

Stopcontact op zee

Om de opgewekte stroom van de windturbines te verzamelen en aan land te brengen, wordt per windpark een offshore transformatorplatform gebouwd met een capaciteit van 700 MW. Dit staat ongeveer gelijk aan het energieverbruik van één miljoen huishoudens. Zo’n platform wordt ook wel aangeduid als het ‘stopcontact’ op zee. De spanning wordt er omgezet van 66 kV naar 220 kV, waarna de stroom via een kabel in de zeebodem naar een transformatorstation aan land wordt getransporteerd. Daar wordt deze omgezet naar 380 kV en in het hoogspanningsnet gebracht.

Cruciale rol in spanningshuishouding en netstabiliteit

De automatisering en beveiliging van de netaansluiting voor de acht windparken die tot en met 2027 ontstaan, is door TenneT gegund aan Siemens Nederland. Gerwin van Dijk, power system consultant bij Siemens Power Technologies International (PTI), is sinds 2017 bij het project betrokken. Hij werkt nauw samen met het projectteam van TenneT, dat de interface vormt tussen alle betrokken partijen. Van Dijk heeft binnen Net op Zee de zogenoemde MVAR-controllers (Mega Volt Ampère Reactief) onder beheer, die de blindvermogensuitwisseling van de offshore windparken met het landelijk net regelen en een cruciale rol spelen in de spanningshuishouding en het borgen van de netstabiliteit. “De offshore transformatorplatforms voor Borssele Alpha en Beta zijn allebei via twee 70 km lange zeekabels met het land verbonden”, aldus Van Dijk. “Het blindvermogen van het transmissienetwerk wordt gecompenseerd door de MVAR-controller. Door handig gebruik te maken van de blindvermogenscapaciteit van het transmissienetwerk kan de netaansluiting worden ingezet om blindvermogen te absorberen of te injecteren. Hierdoor wordt de spanning in het net ondersteund. De compensatie is onder meer afhankelijk van de hoeveelheid wind. Aangezien de windkracht varieert moet er continu worden bij-geregeld om stabiele waarden te borgen.” De regeling kan door TenneT zowel lokaal als op afstand, vanuit het landelijk bedrijfsvoeringcentrum te Arnhem, worden bediend.

Standaardisatie

De controller van Siemens haalt meetwaarden op van het transformatorstation aan land, bedient de spoelen en condensatorbanken, stuurt setpoints naar het windpark en communiceert met de beveiligingsrelais- en andere componenten. Om uitval te voorkomen is alles redundant uitgevoerd. “Siemens levert het hart van het Net op Zee-transmissiesysteem”, zegt elektrotechnisch ingenieur Ruben Pierik, namens TenneT verantwoordelijk voor het technisch projectmanagement. “Het is een standaard concept, dat op alle acht windparken binnen ons raamcontract met Siemens wordt toegepast. Als TenneT streven we naar standaardisatie van onze hoogspanningsapparatuur. Dit leidt tot efficiency, optimaal assetmanagement en een hoge productkwaliteit. Het gedrag van de MVAR- controller dient betrouwbaar en robuust te zijn. De componenten en de regeling mogen geen fluctuerend gedrag vertonen zodat de netstabiliteit van de Net op Zee windparken gewaarborgd is.” 

Wij hebben een virtueel model gemaakt van het transmissiesysteem, de windparken en de MVAR- controller en daar verschillende scenario’s op losgelaten. 
Gerwin van Dijk, power system consultant bij Siemens Power Technologies International

Model Based Engineering

Voor het programmeren en testen van de MVAR-controller paste Siemens Model Based Design toe. Hierbij schrijft men geen directe PLC-code meer, maar maakt men een model dat de regels beschrijft die het programma moet volgen. Op basis van die regels wordt de PLC-code automatisch gegenereerd. Dit voorkomt fouten, leidt tot kortere commissioning-tijden en een hoge kwaliteit. “Wij hebben een virtueel model gemaakt van het transmissiesysteem, de windparken en de MVAR- controller en daar verschillende scenario’s op losgelaten”, licht Van Dijk deze innovatieve aanpak toe. “Stel, er gebeurt iets. Welke effecten heeft dit? Hoe reageert de regelaar op verstoringen, setpoints en veranderingen in het netwerk? Dit is een valide proces om de robuustheid van de regeling op voorhand te testen en aan te tonen.”

Simuleren en testen

Model Based Engineering bestaat voor ca. 80% uit simuleren en testen, met als voordeel dat implementatiefouten kunnen worden voorkomen. Pierik: “Een gevisualiseerd model is voor een elektrotechnisch ingenieur goed te begrijpen. Door het automatisch genereren van de PLC-code neemt de foutgevoeligheid af omdat de vertaalslag van functioneel ontwerp naar implementatie een geautomatiseerd proces is wat vastgelegd is in IEC-normering. Dit verhoogt de kwaliteit van het product en reduceert het development proces.” Van Dijk: “We hebben ook een database gemaakt voor het opslaan van de tests, waardoor ze reproduceerbaar zijn en oude en nieuwe tests kunnen worden vergeleken. Bij iedere wijziging die je doorvoert moet je opnieuw testen en controleren. Dat zou in het veld ondoenlijk zijn, maar met Model Based Design kunnen we het op de pc doen. Vanaf hetzelfde bronbestand kan een DLL-file worden gemaakt waardoor TenneT een exact model van de MVAR-controller krijgt, die gebruikt kan worden in dynamische simulaties van het landelijke elektriciteitsnetwerk.”

Verduurzaming van electriciteitsnetwerk

De site implementatie van de MVAR-controllers is op Borssele Alpha en Beta vlekkeloos verlopen. Er ligt nu een stevige basis voor de vervolgprojecten, die dan wel niet identiek zijn aan de Borssele-windparken, maar door Siemens met een minimale inspanningen kunnen worden geëngineerd. Van Dijk: “We gebruiken hetzelfde model, maar houden rekening met de lokale eigenschappen van onder meer de bekabeling, de compensatie-eenheden en het toegepaste type windturbine.”

 

Het simuleren van netwerken en hun gedrag is voor TenneT een interessante ontwikkeling, die aansluit op de geleidelijke verduurzaming van het elektriciteitsnetwerk. In het hele land komen er steeds meer windparken, PV-installaties en andere decentrale energiebronnen bij. Bij nieuwe aansluitingen vraagt TenneT steeds vaker om gelijksoortige oplossingen zodat de netwerkstabiliteit op voorhand kan worden aangetoond. Van Dijk: “Voor dit soort toepassingen, maar ook voor het koppelen van fabrieksnetwerken, is Model Based Engineering goed inzetbaar.”