Optimal power dispatching strategies in smart-microgrids with storage

With the development of decentralized power sources based on renewable energy, power grids need smarter operations to be run properly. This paper investigates different procedures for the optimal power dispatching of a grid-connected prosumer with an energy storage consisting in a high speed flywheel. An off-line optimal scheduling for the day ahead aims at minimizing the cost with regards to the daily energy rates and considering the forecasts for both consumption and production. That dispatching is performed thanks to global optimization procedures based on a trust-region method or on a niching genetic algorithm. Another approach using step by step optimization and exploiting an original self-adaptive dynamic programming strategy is also developed. The paper discusses the performance of all the considered methods with regards to the obtained results and the computational time

Modélisation en flux d’énergie d’une batterie Li-Ion en vue d’une optimisation technico-économique d’un micro-réseau intelligent

Dans cet article, un modèle de type flux d’énergie pour une batterie Li-Ion est présenté. Le modèle décrit permet de simuler une batterie Li-Ion d’un point de vue systémique. Le but de la modélisation présentée est de proposer une solution, avec un coût de calcul réduit, au problème de simulation avec des grands horizons d’étude (plusieurs années). L’approche proposée est basée sur l’élaboration de cartographies à partir du modèle dynamique de la batterie Li-Ion. Cette modélisation inclut aussi un modèle macroscopique du vieillissement de la cellule, en considérant la dégradation de la capacité de la batterie au cours du temps. Le modèle global présenté permet d’obtenir un bon compromis entre la précision dans l’estimation de l’état de charge de la batterie et la vitesse de calcul de la simulation. L’originalité de l’approche consiste à calculer d’une façon précise et en un temps très réduit l’énergie effectivement chargée ou déchargée de la batterie

Hybrid power generation system for aircraft electrical emergency network

A whole structure and two management strategies are proposed here for hybridisation of a Ram air turbine (RAT) by means of supercapacitors. Such hybrid structure is dedicated to an aircraft emergency network. The structure consists in coupling, through a 270 V DC bus, a controlled source (RAT) with a storage device interfaced through a bidirectional DC–DC converter. Both the energy-management strategies are described and analysed: the first one is to assign the ‘high-frequency harmonics’ of the load power to the storage which is current controlled, whereas the RAT controls the bus voltage and then only feeds the average power, losses and low-frequency harmonics of the load. The second one proposes an energy optimised operation of the system: the RAT, being current controlled, is able to maximise the supplied power (maximum power point tracking), as for classical wind turbines. For such a strategy, the bus voltage is regulated from the storage device. The RAT sizing and its mass can then be strongly reduced by means of this hybrid structure controlled with optimised management strategies. Experiments on a lab test-bench confirm analyses presented

Hybridation d'une pile à combustible par des supercondensateurs (vers une solution passive et directe)

La faisabilité des applications à piles à combustible (PAC) a été largement démontrée à travers le monde. Les efforts de recherche portent actuellement sur l'amélioration de la durée de vie des PAC et la diminution de leur coût. A ce jour, une PAC ne tolère pas les variations rapides de charges qui entraînent très souvent son vieillissement prématuré. Pour pallier cette faiblesse, une hybridation avec un composant électrochimique de stockage (typiquement des supercondensateurs) est généralement proposée via un ou deux convertisseurs statiques, nécessitant l'implantation d'une gestion énergétique. Une partie de ces travaux se situe dans le contexte aéronautique et fait suite au projet européen CELINA piloté par AIRBUS. Le projet européen CELINA (2005-2008) a posé la problématique du remplacement de l'éolienne (RAT) actuelle par une pile à combustible pour le réseau électrique de dernier secours sollicité en cas de perte totale des moteurs ou de la génération électrique. Il alimente les charges essentielles : auxiliaires de puissances presque constantes (calculateurs de bord, ) et les actionneurs de vol (EHA, EMA) qui constituent les principaux consommateurs à caractères très intermittents. Cette étude a permis une classification de trois architectures, dont la validation expérimentale se situant dans le cadre du projet français ISS ayant débuté en 2010 sera exposée. L'hybridation directe entre une PAC et des supercondensateurs présente les avantages de ne pas mettre en jeu de convertisseur statique et d'une autogestion énergétique naturelle. Partant du constat que toutes les applications embarquées utilisant des PAC sont hybridées et qu'un développement d'architecture et de stratégies est effectué pour chaque cas (mise au point de convertisseurs, lois de commande, etc.). Ceci représente un travail considérable et systématique, ce qui freine l'implantation des systèmes PAC dans les applications embarquées. L'objectif est alors d'étudier la faisabilité d'un composant hybride unique jouant le rôle de source de puissance et d'énergie dont la gestion énergétique est transparente pour l'utilisateur et ne nécessitant pas l'ajout d'une hybridation supplémentaire pour ces applications. Cette thématique fait l'objet de ces travaux de thèse en collaboration avec la société française HELION Hydrogen Power. Après une présentation de l'introduction des systèmes PAC en aéronautique centrée autour de l'hybridation directe, la suite des travaux regroupe deux grandes thématiques : la première concerne l'étude des interactions entre PAC et supercondensateurs lors d'une association directe selon trois approches : théorique, expérimentale et par simulation. La seconde concerne la validation expérimentale de trois architectures d'hybridation d'un système PAC retenues pour un contexte aéronautique lors d'études précédentes au laboratoire : une architecture indirecte pour laquelle le stockage possède son convertisseur, une architecture indirecte avec stockage sur le bus DC et une architecture directe. L'objectif de ces travaux étant d'augmenter le niveau de maturité technologique de ces concepts, ainsi que de comparer les différents moyens retenus pour parvenir à l'hybridation d'un système PAC suivant des critères précis.The feasibility of fuel cell (FC) applications has been demonstrated throughout the world. Research efforts are currently focused on improving the lifetime of the FC and reducing their cost. Until today, a FC does not tolerate rapid variations of load that cause in most cases lifetime reducing. To reduce this defect, hybridization with electrochemical storage component (typically ultracapacitors) is generally suggested via one or two static converters, requiring the implementation of an energy management. Aeronautic applications constitute the framework of these studies. They are the prolongation of studies initiated within the European project CELINA piloted by AIRBUS. The CELINA project (2005-2008) dealt with the replacement of the Ram Air Turbine (RAT) which is currently used for the last emergency electrical network in the case of total losses of engines or electrical generation. This emergency network has to supply the essential loads: the piloting auxiliaries (calculators ) consume a quasi-constant power, and the flight actuators (EHA, EMA) which are the main loads whose consumption is very intermittent. This study resulted in a classification of three architectures for which experimental validation in the framework of the French ISS project started since 2010 will be exposed. The direct hybridization between a FC and ultracapacitors has the advantages of not involving static converter and provide a natural energy management. The statement of facts is that all embedded applications using FC are hybridized, architecture and strategies development is performed for each case (development of converters, control laws, etc.). This represents a significant and systematic work, which limits the implementation of FC in embedded applications. In this work, the objective is to study the feasibility of a single hybrid component acting as a power and energy source for which energy management is transparent to the user and does not require the addition of another hybridization. This work is part of collaboration with the French company HELION Hydrogen Power. After a presentation of the insertion of FC in aeronautics centered on the direct hybridization, two major themes are approached: The first concerns the study of interactions between FC and ultracapacitors in a direct association according to three approaches: theoretical, experimental and simulation. The second concerns the experimental validation of three hybridization architectures for FC considered in previous studies in the laboratory: an architecture for which the indirect storage has its converter, an architecture with indirect storage on the DC bus and a direct hybridization architecture. The objective of this work is to increase the level of technological Readiness level of these concepts, and to compare the different ways considered to achieve the hybridization of a fuel cell system according to specific standards.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Preliminary delivery battery & fuell cell

The work presented in this document is a part of the Hastecs project (Hybrid aircraft Academic reSearch on Thermal & Electrical Components and Systems) dedicated to the development of models and tools that can support the demonstration of radical aircraft configurations. More specifically, the case of a hybrid-electric aircraft with a serial-hybrid configuration (all the energy conversion chain is electrified) is treated here. Inside this project divided in six Work Packages (WPs), the Work Package n°6 is dedicated to the global system integratio

Alimentation électrique d'un site isolé à partir d'un générateur photovoltaïque associé à un tandem électrolyseur/pile à combustible (batterie H2/O2)

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC ) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Unraveling the mysteries of honeybee in the Mascarene Islands

Exam paper for second semester 2017, N.D. Extraction Metallurg

Techno-economical optimization of wind power production including lithium and/or hydrogen sizing in the context of the day ahead market in island grids

In this article an optimal storage sizing based on technical and economical modeling is presented. A focus is made on wind power producers participating in day-ahead markets for island networks and energy storage using Li-Ion and H2/O2 batteries. The modeling approach is based on power flow models and detailed optimization-oriented techniques. An importance is given to the storage device ageing effects on the overall hybrid system levelized cost of the energy. The results are presented for the special case of renewable power integration in the French islands networks. The analysis obtained after the results shows the importance of this type of modeling tool for decision making during the initial conceptual design level

Direct sizing and characterization of Energy Storage Systems in the Energy-Power plane

This paper presents an original sizing method for Energy Storage Systems (ESS) based on directly matching their capabilities– as specified by their energy-power Safe Operation Area (SOA) in the Energy-Power (EP) plane – with the energy and powerdemand required to accomplish their missions. Starting from the system requirements and from an energy management strategy,the power demanded by a set of representative operating scenarios and its associated energy are calculated and represented astrajectories in the EP plane. The objective is to size the ESS such as its SOA contains these trajectories. Comparison betweendifferent technologies of Energy Storage Devices (ESDs) is possible using this SOA characterization. Special attention should bepaid to compare specific SOAs across devices. Diverse energy management strategies can be synthesized in the EP plane where theycan be compared and analyzed. The sizing method converges extremely fast and is suitable for its integration in an optimizationloop. The method allows to determine directly and efficiently the technology and the size most appropriate (in terms of indicatorssuch as mass or cost) to a given EP demand. In the paper, three different technologies (SuperCapacitor, Li-Ion and H2/O2 batteries)are characterized and compared in terms of sizing synthesis