Small-disturbance Angle Stability Enhancement using Intelligent Redox Flow Batteries

Small-disturbance angle stability or low-frequency oscillation is one of the important stability in the power system. Although damper windings and power system stabilizer (PSS) have been proved to stabilize and improve small-disturbance angle stability. However, due to increasing demand in the recent years, adding redox flow batteries (RFB) as additional devices is crucial. This paper investigates, the utilization additional devices called RFB to enhance the small-disturbance angle stability in the power system. Furthermore, ant colony optimization (ACO) method is used to tune RFB parameter. To analyze the stability improvement on the power system, single machine infinite bus is used as a test system. Eigenvalue and time domain simulation is used to examine the behavior of the investigated system. From the simulation, it is found that by installing RFB in the system, the small-disturbance angle stability of power system is improved and ACO can be a solution of tune RFB parameter

Direct Connection of Supercapacitor-Battery Hybrid Storage System to the Grid-tied Photovoltaic System

IEEE Penetration rate of grid-connected photovoltaic (PV) generation to the existing utility grid is rapidly increasing over the years. Since the power generated from PV systems fluctuate according to the weather condition, e.g., cloud passing, this can significantly disturb the stability of a weak utility grid. The integration of energy storage devices and its ramp-rate control technique are required to reduce the impact of PV systems output fluctuations and augment the stability of the utility grid. In this paper, ramp-rate control is applied to the direct connection of energy storage devices in PV generation system configuration. The direct connection of supercapacitors string and battery combination scheme is proposed to reduce the number of power converters so that the efficiency of the system is increased. In this work, the PV system output is controlled by directly control the energy storage system (ESS) to limit the changing rate of PV output to desired ramp-rate value. Hence, reducing the battery charge/discharge cycles and extending the expected lifetime of the ESS. The performance of the proposed direct connection scheme of ESS and its ramp-rate control strategy is verified using a 1-kW PV system prototype

A New Perspective of Wind Power Grid Codes Under Unbalanced and Distorted Grid Conditions

Increasing penetration of wind power has led power system operators worldwide to develop new grid codes for integration of a wind power plant (WPP) onto the grid. According to the grid codes issued by Federal Energy Regulatory Commission (FERC) in the US, a WPP must have low voltage ride through (LVRT) capability, power factor design criteria, and supervisory control and data acquisition (SCADA) system to ensure power system reliability. Fast Fourier transform (FFT) is frequently used to measure root mean square (RMS) voltage, power factor, and for supervisory data acquisition in order to verify that a WPP conforms to the grid code requirements. However, FFT inherently assumes signal is periodic in nature, and it provides misleading results under unbalanced and distorted grid conditions. To overcome these issues, this work proposes a new method for wind power grid codes based on time-frequency analysis technique. Unlike FFT, it provides accurate result both in steady-state and transient conditions. The efficacy of the proposed method is verified by applying it to computer simulated and real-world cases provided by National Renewable Energy Laboratory (NREL) in the US. Time-frequency analysis is performed utilizing Time-Frequency Toolbox (TFTB) in MATLAB® developed for the analysis of non-stationary signals

Design and Development of a Next Generation Energy Storage Flywheel

Energy storage is crucial for both smart grids and renewable energy sources such as wind or solar, which are intermittent in nature. Compared to electrochemical batteries, flywheel energy storage systems (FESSs) offer many unique benefits such as low environmental impact, high power quality, and larger life cycles. This dissertation presents the design and development of a novel utility-scale FESS that features a shaftless, hubless rotor. The unique shaftless design gives it the potential of a doubled energy density and a compact form factor. Its energy and power capacities are 100 kWh and 100 kW, respectively. The flywheel is made of high-strength steel, which makes it much easier to manufacture, assemble, and recycle. Steels also cost much less than composite materials. In addition, the system incorporates a new combination active magnetic bearing. Its working principle and the levitation control for the flywheel are presented. The development of an integrated, coreless, permanent-magnet (PM) motor/generator for the flywheel is briefly discussed as well. Initial test results show that the magnetic bearing provides stable levitation for the 5443-kg flywheel with small current consumptions. Furthermore, this dissertation formulates and synthesizes a detailed model for designing and simulating a closed-loop control system for the proposed flywheel system at high speed. To this end, the magnetic bearing supporting structure is considered flexible and modeled by finite element modeling. The magnetic bearing is characterized experimentally by static and frequency-dependent coefficients, the latter of which are caused by eddy current effects and presents challenges to the levitation control. Sensor- runout disturbances are measured and included in the model. System nonlinearities in power amplifiers and the controller are considered as well. Even though the flywheel has a large ratio of the primary-to-transversal moment of inertias, Multi-Input-Multi-Output (MIMO) feedback control demonstrates its effectiveness in canceling gyroscopic torques and stabilize the system. Various stages of PD controllers, lead/lag compensators, and notch filters are also implemented to suppress the high-frequency sensor disturbances and structural vibrations

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

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