Dynamic Load and Storage Integration

Modern technology combined with the desire to minimize the size and weight of a ship’s power system are leading to renewed interest in more electric or all electric ships. An important characteristic of the emerging ship power system is an increasing level of load variability, with some future pulsed loads requiring peak power in excess of the available steady– state power. This inevitably leads to the need for some additional energy storage beyond that inherent in the fuel. With the current and evolving technology, it appears that storage will be in the form of batteries, rotating machines, and capacitors. All of these are in use on ships today and all have enjoyed significant technological improvements over the last decade. Moreover all are expected to be further enhanced by today’s materials research. A key benefit of storage is that, when it can be justified for a given load, it can have additional beneficial uses such as ride-through capability to restart a gas turbine if there is an unanticipated power loss; alternatively, storage can be used to stabilize the power grid when switching large loads. Knowing when to stage gas turbine utilization versus energy storage is a key subject in this paper. The clear need for storage has raised the opportunity to design a comprehensive storage system, sometimes called an energy magazine, that can combine intermittent generation as well as any or all of the other storage technologies to provide a smaller, lighter and better performing system than would individual storage solutions for each potential application.Center for Electromechanic

Applications of Power Electronics

Power electronics technology is still an emerging technology, and it has found its way into many applications, from renewable energy generation (i.e., wind power and solar power) to electrical vehicles (EVs), biomedical devices, and small appliances, such as laptop chargers. In the near future, electrical energy will be provided and handled by power electronics and consumed through power electronics; this not only will intensify the role of power electronics technology in power conversion processes, but also implies that power systems are undergoing a paradigm shift, from centralized distribution to distributed generation. Today, more than 1000 GW of renewable energy generation sources (photovoltaic (PV) and wind) have been installed, all of which are handled by power electronics technology. The main aim of this book is to highlight and address recent breakthroughs in the range of emerging applications in power electronics and in harmonic and electromagnetic interference (EMI) issues at device and system levels as discussed in ?robust and reliable power electronics technologies, including fault prognosis and diagnosis technique stability of grid-connected converters and ?smart control of power electronics in devices, microgrids, and at system levels

Hybrid Energy Storage Implementation in DC and AC Power System for Efficiency, Power Quality and Reliability Improvements

Battery storage devices have been widely utilized for different applications. However, for high power applications, battery storage systems come with several challenges, such as the thermal issue, low power density, low life span and high cost. Compared with batteries, supercapacitors have a lower energy density but their power density is very high, and they offer higher cyclic life and efficiency even during fast charge and discharge processes. In this dissertation, new techniques for the control and energy management of the hybrid battery-supercapacitor storage system are developed to improve the performance of the system in terms of efficiency, power quality and reliability. To evaluate the findings of this dissertation, a laboratory-scale DC microgrid system is designed and implemented. The developed microgrid utilizes a hybrid lead-acid battery and supercapacitor energy storage system and is loaded under various grid conditions. The developed microgrid has also real-time monitoring, control and energy management capabilities. A new control scheme and real-time energy management algorithm for an actively controlled hybrid DC microgrid is developed to reduce the adverse impacts of pulsed power loads. The developed control scheme is an adaptive current-voltage controller that is based on the moving average measurement technique and an adaptive proportional compensator. Unlike conventional energy control methods, the developed controller has the advantages of controlling both current and voltage of the system. This development is experimentally tested and verified. The results show significant improvements achieved in terms of enhancing the system efficiency, reducing the AC grid voltage drop and mitigating frequency fluctuation. Moreover, a novel event-based protection scheme for a multi-terminal DC power system has been developed and evaluated. In this technique, fault identification and classifications are performed based on the current derivative method and employing an artificial inductive line impedance. The developed scheme does not require high speed communication and synchronization and it transfers much less data when compared with the traditional method such as the differential protection approach. Moreover, this scheme utilizes less measurement equipment since only the DC bus data is required

Development of Robust and Dynamic Control Solutions for Energy Storage Enabled Hybrid AC/DC Microgrids

Development of Robust and Dynamic Control Solutions for Energy Storage Enabled Hybrid AC/DC Microgrid

Optimum Distribution System Architectures for Efficient Operation of Hybrid AC/DC Power Systems Involving Energy Storage and Pulsed Loads

After more than a century of the ultimate dominance of AC in distribution systems, DC distribution is being re-considered. However, the advantages of AC systems cannot be omitted. This is mainly due to the cheap and efficient means of generation provided by the synchronous AC machines and voltage stepping up/down allowed by the AC transformers. As an intermediate solution, hybrid AC/DC distribution systems or microgrids are proposed. This hybridization of distribution systems, incorporation of heterogeneous mix of energy sources, and introducing Pulsed Power Loads (PPL) together add more complications and challenges to the design problem of distribution systems. In this dissertation, a comprehensive multi-objective optimization approach is presented to determine the optimal design of the AC/DC distribution system architecture. The mathematical formulation of a multi-objective optimal power flow problem based on the sequential power flow method and the Pareto concept is developed and discussed. The outcome of this approach is to answer the following questions: 1) the optimal size and location of energy storage (ES) in the AC/DC distribution system, 2) optimal location of the PPLs, 3) optimal point of common coupling (PCC) between the AC and DC sides of the network, and 4) optimal network connectivity. These parameters are to be optimized to design a distribution architecture that supplies the PPLs, while fulfilling the safe operation constraints and the related standard limitations. The optimization problem is NP-hard, mixed integer and combinatorial with nonlinear constraints. Four objectives are involved in the problem: minimizing the voltage deviation (ΔV), minimizing frequency deviation (Δf), minimizing the active power losses in the distribution system and minimizing the energy storage weight. The last objective is considered in the context of ship power systems, where the equipment’s weight and size are restricted. The utilization of Hybrid Energy Storage Systems (HESS) in PPL applications is investigated. The design, hardware implementation and performance evaluation of an advanced – low cost Modular Energy Storage regulator (MESR) to efficiently integrate ES to the DC bus are depicted. MESR provides a set of unique features: 1) It is capable of controlling each individual unit within a series/parallel array (i.e. each single unit can be treated, controlled and monitored separately from the others), 2) It is able to charge some units within an ES array while other units continue to serve the load, 3) Balance the SoC without the need for power electronic converters, and 4) It is able to electrically disconnect a unit and allow the operator to perform the required maintenance or replacement without affecting the performance of the whole array. A low speed flywheel Energy Storage System (FESS) is designed and implemented to be used as an energy reservoir in PPL applications. The system was based on a separately excited DC machine and a bi-directional Buck-Boost converter as the driver to control the charging/discharging of the flywheel. Stable control loops were designed to charge the FESS off the pulse and discharge on the pulse. All the developments in this dissertation were experimentally verified at the Smart Grid Testbed

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

A Flywheel Energy Storage System (FESS) can rapidly inject or absorb high amounts of active power in order to support the grid, following abrupt changes in the generation or in the demand, with no concern over its lifetime. The work presented in this book studies the grid integration of a high-speed FESS in low voltage distribution grids from several perspectives, including optimal allocation, sizing, modeling, real-time simulation, and Power Hardware-in-the-Loop testing

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

Mit dem Ziel, den Stromsektor zu dekarbonisieren und dem Klimawandel zu begegnen, steigt der Anteil erneuerbarer Energieressourcen in den Energiesystemen rund um den Globus kontinuierlich an. Aufgrund des intermittierenden Charakters dieser Ressourcen kann die Aufrechterhaltung des momentanen Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch und damit der Netzfrequenz ohne angemessene Maßnahmen jedoch eine Herausforderung darstellen. Da erneuerbare Energiequellen mit Umrichterschnittstellen dem System selbst keine Trägheit verleihen, nimmt gleichzeitig die kumulative Systemträgheit ab, was zu schnelleren Änderungen der Netzfrequenz und Bedenken hinsichtlich der Netzstabilität führt. Ein Schwungrad-Energiespeichersystem (Flywheel Energy Storage System, FESS) kann schnell große Leistungsmengen einspeisen oder aufnehmen, um das Netz nach einer abrupten Änderung der Erzeugung oder des Verbrauchs zu unterstützen. Neben der schnellen Reaktionszeit hat ein FESS den Vorteil einer hohen Leistungsdichte und einer großen Anzahl von Lade- und Entladezyklen ohne Kapazitätsverlust während seiner gesamten Lebensdauer. Diese Eigenschaften machen das FESS zu einem gut geeigneten Kandidaten für die Frequenzstabilisierung des Netzes oder die Glättung kurzfristiger Leistungsschwankungen auf lokaler Ebene. In dieser Dissertation wird die Netzintegration eines Hochgeschwindigkeits-FESS auf der Niederspannungsebene aus mehreren Perspektiven untersucht. Zunächst wird das Problem der Platzierung und Dimensionierung eines FESS in Niederspannungsverteilnetzen für Leistungsglättungsanwendungen behandelt. Um den am besten geeigneten Standort für ein FESS zu finden, wird eine datengetriebene Methode zur Abschätzung der relativen Spannungsempfindlichkeit vorgestellt, die auf dem Konzept der Transinformation basiert. Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Methode besteht darin, dass sie kein Netzmodell erfordert und nur Messwerte an den interessierenden Punkten verwendet. Messergebnisse aus einem realen Netz in Süddeutschland zeigen, dass mit dem vorgeschlagenen Ansatz die Netzanschlusspunkte mit einer höheren Spannungsempfindlichkeit gegenüber Wirkleistungsänderungen, welche am meisten von einem durch FESS ermöglichten, glatteren Leistungsprofil profitieren können, erfolgreich zugeordnet werden können. Darüber hinaus wird eine neue Methode zur Dimensionierung von Energiespeichersystemen unter Verwendung von Messdaten eingeführt. Der vorgeschlagene Ansatz erkennt wiederkehrende Verbrauchsmuster in aufgezeichneten Leistungsprofilen mit Hilfe des "Motif Discovery"-Algorithmus, die dann zur Dimensionierung verschiedener Speichertechnologien, einschließlich eines FESS, verwendet werden. Anhand von gesammelten Messdaten aus mehreren Niederspannungsnetzen in Deutschland wird gezeigt, dass die Speichersysteme mit den aus den detektierten Mustern abgeleiteten Charakteristika während der gesamten Messperiode effektiv für ihre Anwendungen genutzt werden können. Als nächstes wurde ein dynamisches Modell eines Hochgeschwindigkeits-FESS entwickelt und mit experimentellen Ergebnissen in mehreren Szenarien, unter Berücksichtigung der Verluste und des Hilfsenergiebedarfs des Systems, validiert. In den untersuchten Szenarien wurde eine maximale Differenz von nur 0,8 % zwischen dem Ladezustand des Modells und dem realen FESS beobachtet, was die Genauigkeit des entwickelten Modells beschreibt. Nach Festlegung des erforderlichen Aufbaus wurde die Leistungsfähigkeit eines 60 kW Hochgeschwindigkeits-FESS während mehrerer Frequenzabweichungsszenarien mit Hilfe von Power Hardware-in-the-Loop-Tests beurteilt. Die Ergebnisse der PHIL-Tests zeigen, dass das Hochgeschwindigkeits-FESS sehr schnell nach einer plötzlichen Frequenzabweichung reagiert und in knapp 60 ms die erforderliche Leistung erreicht, wobei die neuesten Anforderungen der Anwendungsregeln für die Frequenzunterstützung auf der Niederspannungsebene erfüllt werden. Um schließlich die Vorteile des schnellen Verhaltens des FESS für Energiesysteme mit geringer Trägheit zu demonstrieren, wurde ein neuartiger adaptiver Trägheits-Emulationsregler für das Hochgeschwindigkeits-FESS eingeführt und seine Leistung in einem Microgrid mit geringer Trägheit durch Simulationen und Experimente validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Verwendung des FESS mit dem vorgeschlagenen Trägheits-Emulationsregler die maximale Änderungsrate der Frequenz um 28 % und die maximale Frequenzabweichung um 44 % während der Inselbildung des untersuchten Microgrid reduzieren kann und mehrere zuvor vorgestellte adaptive Regelungskonzepte übertrifft. Der vorgeschlagene Regler wurde auch auf einem realen 60 kW FESS mit dem Konzept des Rapid Control Prototyping implementiert, und die Leistungsfähigkeit des FESS mit dem neuen Regelungsentwurf wurde mit Hilfe von PHIL-Tests des FESS validiert. Die PHIL-Ergebnisse, die die allererste experimentelle Validierung der Trägheitsemulation mit einem FESS darstellen, bestätigen die Simulationsergebnisse und zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen Reglers