175 research outputs found

    A Review of Flywheel Energy Storage System Technologies and Their Applications

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    Energy storage systems (ESS) provide a means for improving the efficiency of electrical systems when there are imbalances between supply and demand. Additionally, they are a key element for improving the stability and quality of electrical networks. They add flexibility into the electrical system by mitigating the supply intermittency, recently made worse by an increased penetration of renewable generation. One energy storage technology now arousing great interest is the flywheel energy storage systems (FESS), since this technology can offer many advantages as an energy storage solution over the alternatives. Flywheels have attributes of a high cycle life, long operational life, high round-trip efficiency, high power density, low environmental impact, and can store megajoule (MJ) levels of energy with no upper limit when configured in banks. This paper presents a critical review of FESS in regards to its main components and applications, an approach not captured in earlier reviews. Additionally, earlier reviews do not include the most recent literature in this fast-moving field. A description of the flywheel structure and its main components is provided, and different types of electric machines, power electronics converter topologies, and bearing systems for use in flywheel storage systems are discussed. The main applications of FESS are explained and commercially available flywheel prototypes for each application are described. The paper concludes with recommendations for future research

    Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

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    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

    Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

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    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

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    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

    Performance and Loss Analysis of Squirrel Cage Induction Machine Based Flywheel Energy Storage System

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    Flywheel energy storage systems (FESS) are one of the earliest forms of energy storage technologies with several benefits of long service time, high power density, low maintenance, and insensitivity to environmental conditions being important areas of research in recent years. This paper focusses on the electrical machine and power electronics, an important part of a flywheel system, the electrical machine rotating with the flywheel inertia in order to perform charge-discharge cycles. The type of machine used in the electrical drive plays an important role in the characteristics governing electrical losses as well as standby losses. Permanent magnet synchronous machine (PMSM) and induction machines (IM) are the two most common types of electric machines used in FESS applications where the latter has negligible standby losses due to its lower rotor magnetic field until energised by the stator. This paper describes research in which the operational and standby losses of a squirrel-cage induction machine-based flywheel storage system (SCIM-FESS) are modelled as a system developed in MATLAB/Simulink environment inclusive of the control system for the power electronics converters. Using the proposed control algorithm and in-depth analysis of the system losses, a detailed assessment of the dynamic performance of the SCIM-FESS is performed for different states of charging, discharging, and standby modes. The results of the analysis show that, in presence of system losses including aerodynamic and bearing friction losses, the SCIM-FESS has satisfactory characteristics in energy regulation and dynamic response during load torque variations. The compliance of FESS and its conversion between the generating and motoring mode within milliseconds show the responsiveness of the proposed control system

    Electric Power Conversion and Micro-Grids

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    This edited volume is a collection of reviewed and relevant research chapters offering a comprehensive overview of recent achievements in the field of micro-grids and electric power conversion. The book comprises single chapters authored by various researchers and is edited by a group of experts in such research areas. All chapters are complete in themselves but united under a common research study topic. This publication aims at providing a thorough overview of the latest research efforts by international authors on electric power conversion, micro-grids, and their up-to-the-minute technological advances and opens new possible research paths for further novel developments

    Protection of Active Distribution Networks and Their Cyber Physical Infrastructure

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    Today’s Smart Grid constitutes several smaller interconnected microgrids. However, the integration of converter-interfaced distributed generation (DG) in microgrids has raised several issues such as the fact that fault currents in these systems in islanded mode are way less than those in grid connected microgrids. Therefore, microgrid protection schemes require a fast, reliable and robust communication system, with backup, to automatically adjust relay settings for the appropriate current levels according to the microgrid’s operation mode. However, risks of communication link failures, cyber security threats and the high cost involved to avoid them are major challenges for the implementation of an economic adaptive protection scheme. This dissertation proposes an adaptive protection scheme for AC microgrids which is capable of surviving communication failures. The contribution is the use of an energy storage system as the main contributor to fault currents in the microgrid’s islanded mode when the communication link fails to detect the shift to the islanded mode. The design of an autonomous control algorithm for the energy storage’s AC/DC converter capable of operating when the microgrid is in both grid-connected and islanded mode. Utilizing a single mode of operation for the converter will eliminate the reliance on communicated control command signals to shift the controller between different modes. Also, the ability of the overall system to keep stable voltage and frequency levels during extreme cases such as the occurrence of a fault during a peak pulse load period. The results of the proposed protection scheme showed that the energy storage -inverter system is able to contribute enough fault current for a sufficient duration to cause the system protection devices to clear the fault in the event of communication loss. The proposed method was investigated under different fault types and showed excellent results of the proposed protection scheme. In addition, it was demonstrated in a case study that, whenever possible, the temporary disconnection of the pulse load during the fault period will allow the utilization of smaller energy storage device capacity to feed fault currents and thus reduce the overall expenditures. Also, in this dissertation we proposed a hybrid hardware-software co-simulation platform capable of modeling the relation between the cyber and physical parts to provide a protection scheme for the microgrid. The microgrid was simulated on MATLAB/Simulink SimPowerSystems to model the physical system dynamics, whereas all control logic was implemented on embedded microcontrollers communicating over a real network. This work suggested a protection methodology utilizing contemporary communication technologies between multi-agents to protect the microgrid
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