Primary frequency response from hydrogen-based bidirectional vector coupling storage:modelling and demonstration using power-hardware-in-the-loop simulation

To meet reduction targets for carbon emissions and improve the flexibility and security of the energy supply, future energy networks will require enhanced energy vector coupling in addition to the generation of energy from renewable sources. Increased renewable generation penetration significantly affects the electrical grid’s inertia and consequently the severity and regularity of frequency deviations from nominal values. Bidirectional Hydrogen-based Vector Coupling Storage (VCS) has been explored as a means to provide primary frequency response (PFR) services to the electrical network. This paper demonstrates the use of Power Hardware-In-the-Loop (PHIL) simulation and Digital Twin (DT) technique for such an application. This new suggested structure of VCS is composed of grid-scale electrolysers, fuel cells, and hydrogen storage. Existing works focus on unidirectional VCS, and also use simplifications or neglect the impacts of power converters on the performance of the VCS. In addition, these works do not have any control over the hydrogen storage, therefore there is no guarantee that there will be enough energy available in the storage to meet the PFR service responsibilities. This paper presents the dynamic models of electrolysis, fuel cell stacks, and hydrogen storage as a DT. The key parameters affecting the behaviours of these main components are considered. The power converters’ accurate impact on the VCS’s performance is considered through PHIL simulations. The level of stored hydrogen is also considered in the VCS controller. The DT representing the VCS is integrated with the PHIL setup representing the deployment environment. The impact of VCS is then analysed as it propagates to the deployment environment. Results of the considered case studies demonstrate that the size of the VCS plays a significant role in bringing the frequency to the statutory allowed range. In addition, more VCS capacity was installed, the nadir frequency improved. Furthermore, the VCS is fast enough to offer PFR. The response times of the VCS were 2.857 s (during under-frequency periods), corresponding to the operation of the fuel cells, and 2.252 s during over-frequency periods, corresponding to electrolyser operation.</p

Systematic review of features for co‐simulating security incidents in Cyber‐Physical Systems

Cyber-Physical Systems (CPS) and Internet-of-Things (IoT) plus energy are the enabling technology of modern power systems also known as the Smart Grid (SG). A SG may consist of thousands of interconnected components communicating and exchanging data across layers that stretch beyond technical capabilities, for instance, markets and customer interactions. Cyber-physical security is a major source of concern due to the high reliance of the SG on Information and Communication Technologies (ICT) and their widespread use. Addressing security requires developing modeling and simulation tools that approximate and replicate adversarial behavior in the SG. These tools have in fact two simulators, one handling continuous power flows and another for capturing the discrete behavior when communicating across CPS or IoT components. The technique of composing two models of computation in a global simulation of these coupled systems is called co-simulation. Although there are many frameworks and tools for co-simulation, the set of features for modeling cyber-physical security incidents in the SG lacks thorough understanding. We present a systematic review of features and tools for co-simulating these concerns in CPS. We also highlight and discuss research gaps with respect to the most used tools in industry and academia and comment on their relevant features

Reinforcement learning based adaptive power pinch analysis for energy management of stand-alone hybrid energy storage systems considering uncertainty

Hybrid energy storage systems (HESS) involve synergies between multiple energy storage technologies with complementary operating features aimed at enhancing the reliability of intermittent renewable energy sources (RES). Nevertheless, coordinating HESS through optimized energy management strategies (EMS) introduces complexity. The latter has been previously addressed by the authors through a systems-level graphical EMS via Power Pinch Analysis (PoPA). Although of proven efficiency, accounting for uncertainty with PoPA has been an issue, due to the assumption of a perfect day ahead (DA) generation and load profiles forecast. This paper proposes three adaptive PoPA-based EMS, aimed at negating load demand and RES stochastic variability. Each method has its own merits such as; reduced computational complexity and improved accuracy depending on the probability density function of uncertainty. The first and simplest adaptive scheme is based on a receding horizon model predictive control framework. The second employs a Kalman filter, whereas the third is based on a machine learning algorithm. The three methods are assessed on a real isolated HESS microgrid built in Greece. In validating the proposed methods against the DA PoPA, the proposed methods all performed better with regards to violation of the energy storage operating constraints and plummeting carbon emission footprint

Optimization of Fuzzy Energy-Management System for Grid-Connected Microgrid Using NSGA-II

This article proposes a fuzzy logic-based energy-management system (FEMS) for a grid-connected microgrid with renewable energy sources (RESs) and energy storage system (ESS). The objectives of the FEMS are reducing the average peak load (APL) and operating cost through arbitrage operation of the ESS. These objectives are achieved by controlling the charge and discharge rate of the ESS based on the state of charge of ESS, the power difference between load and RES, and electricity market price. The effectiveness of the fuzzy logic greatly depends on the membership functions (MFs). The fuzzy MFs of the FEMS are optimized offline using a Pareto-based multiobjective evolutionary algorithm, nondominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). The best compromise solution is selected as the final solution and implemented in the fuzzy-logic controller. A comparison with other control strategies with similar objectives is carried out at a simulation level. The proposed FEMS is experimentally validated on a real microgrid in the energy storage test bed at Newcastle University, U.K

Contribution to the optimization of control methodologies for renewable energy based power systems combining energy storage

The present thesis develops appropriate models for the representation of the operating characteristics of wind generator systems during autonomous as well as grid-connected operation. As far as the autonomous operation is concerned, an extensive investigation of different control strategies has been performed and appropriate maximum power point tracking (MPPT) control techniques have been proposed. For grid-connected operation cases, innovative controllers for the improvement of wind generator behavior during faults have been developed. Moreover, a small autonomous hybrid system including wind generators as well as proton exchange membrane fuel cells and electrolyzers has been investigated. In a first step a coupled field and circuit model has been developed for the permanent magnet generator employed, providing adequate representation of higher order electrical and mechanical phenomena. Based on this model, an appropriate control method has been proposed enabling reduction of the output power ripple due to rotor eccentricity. In a second step, regarding the control of the wind generator under autonomous operation, four different MPPT controllers have been designed and implemented in a prototype wind generator system. These controllers have been evaluated through simulated results validated by measurements under both step and measured wind speed variations. The comparison of the respective system responses illustrated several advantages and disadvantages of each methodology leading to the proposal of a particular optimal controller based on fuzzy logic techniques. Moreover, a controller for grid-connected operation has been developed, enabling extension of the interconnected wind turbine operation under grid faults or voltage sags, according to the international standards, achieving equally current reduction. Finally, the wind generator has been studied as a part of a small renewable energy hybrid production plant. A particular control strategy has been proposed, combining uninterrupted load supply, increased system reliability, avoidance of frequent unnecessary on/off cycling of the fuel cell and transients of power supply for the electrolyzer.Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα συστήματα ανεμογεννητριών αρχικά σε απομονωμένη λειτουργία, στη συνέχεια σε διασυνδεδεμένη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο και τέλος ενταγμένα σε μικρούς υβριδικούς σταθμούς παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές, οι οποίοι περιλαμβάνουν και συστήματα αποθήκευσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθοδολογίες ελέγχου ενώ παράλληλα αναπτύσσονται και συγκρίνονται εναλλακτικά δυναμικά μοντέλα αναπαράστασης των συνιστωσών των ανεμογεννητριών. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε συζευγμένο μοντέλο αναπαράστασης της γεννήτριας μονίμων μαγνητών, το οποίο συνδυάζει δυναμικό ισοδύναμο κύκλωμα με πεδιακή ανάλυση βασισμένη στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε επέτρεψε τη μελέτη ηλεκτρικών και μηχανικών φαινομένων ανώτερης τάξης με πολύ καλή ακρίβεια. Τα αποτελέσματα του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση κατάλληλου ελεγκτή, ο οποίος επέτρεψε την αντιμετώπιση προβλημάτων κυμάτωσης της ισχύος εξόδου σε περίπτωση εκκεντρότητας της γεννήτριας. Διερευνήθηκε η συμπεριφορά ελεγκτών για την ανεύρεση του σημείου λειτουργίας μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (maximum power point tracking, MPPT). Στα πλαίσια αυτά σχεδιάστηκαν, υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν τέσσερις διαφορετικοί ελεγκτές MPPT ανεμογεννήτριας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους, τόσο σε επίπεδο προσομοίωσης όσο και σε πειραματική διάταξη, στις περιπτώσεις βηματικής μεταβολής της ταχύτητας και πραγματικής χρονοσειράς ανέμου. Η σύγκριση των ελεγκτών οδήγησε στην ανάδειξη συγκεκριμένων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους και σε πρόταση βελτιστοποίησης ελεγκτή ασαφούς λογικής μέσω κατάλληλης προσαρμογής των παραμέτρων εξόδου. Μελετήθηκε ακόμα, η διασυνδεδεμένη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και αναπτύχθηκε ελεγκτής, ο οποίος επιτρέπει την επέκταση παραμονής στο δίκτυο της ανεμογεννήτριας σε περιπτώσεις σφαλμάτων και βυθίσεων της τάσης του δικτύου, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, επιτυγχάνοντας παράλληλα περιορισμό του ρεύματος στις περιπτώσεις αυτές. Τέλος αναλύθηκε η λειτουργία της ανεμογεννήτριας στα πλαίσια ενός αυτόνομου υβριδικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε., ο οποίος συνδυάζει τεχνολογίες υδρογόνου για παραγωγή - αποθήκευση ενέργειας. Προτάθηκε νέα μεθοδολογία διαχείρισης των συνιστωσών, η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη παροχή ισχύος στο φορτίο, σε συνδυασμό με αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση του συστήματος

Contribution to the optimization of control methodologies for renewable energy based power systems combining energy storage

286 σ.Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα συστήματα ανεμογεννητριών αρχικά σε απομονωμένη λειτουργία, στη συνέχεια σε διασυνδεδεμένη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο και τέλος ενταγμένα σε μικρούς υβριδικούς σταθμούς παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές, οι οποίοι περιλαμβάνουν και συστήματα αποθήκευσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθοδολογίες ελέγχου ενώ παράλληλα αναπτύσσονται και συγκρίνονται εναλλακτικά δυναμικά μοντέλα αναπαράστασης των συνιστωσών των ανεμογεννητριών. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύχθηκε συζευγμένο μοντέλο αναπαράστασης της γεννήτριας μονίμων μαγνητών, το οποίο συνδυάζει δυναμικό ισοδύναμο κύκλωμα με πεδιακή ανάλυση βασισμένη στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε επέτρεψε τη μελέτη ηλεκτρικών και μηχανικών φαινομένων ανώτερης τάξης με πολύ καλή ακρίβεια. Τα αποτελέσματα του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση κατάλληλου ελεγκτή, ο οποίος επέτρεψε την αντιμετώπιση προβλημάτων κυμάτωσης της ισχύος εξόδου σε περίπτωση εκκεντρότητας της γεννήτριας. Διερευνήθηκε η συμπεριφορά ελεγκτών για την ανεύρεση του σημείου λειτουργίας μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (maximum power point tracking, MPPT). Στα πλαίσια αυτά σχεδιάστηκαν, υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν τέσσερις διαφορετικοί ελεγκτές MPPT ανεμογεννήτριας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους, τόσο σε επίπεδο προσομοίωσης όσο και σε πειραματική διάταξη, στις περιπτώσεις βηματικής μεταβολής της ταχύτητας και πραγματικής χρονοσειράς ανέμου. Η σύγκριση των ελεγκτών οδήγησε στην ανάδειξη συγκεκριμένων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους και σε πρόταση βελτιστοποίησης ελεγκτή ασαφούς λογικής μέσω κατάλληλης προσαρμογής των παραμέτρων εξόδου. Μελετήθηκε ακόμα, η διασυνδεδεμένη λειτουργία της ανεμογεννήτριας και αναπτύχθηκε ελεγκτής, ο οποίος επιτρέπει την επέκταση παραμονής στο δίκτυο της ανεμογεννήτριας σε περιπτώσεις σφαλμάτων και βυθίσεων της τάσης του δικτύου, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, επιτυγχάνοντας παράλληλα περιορισμό του ρεύματος στις περιπτώσεις αυτές. Τέλος αναλύθηκε η λειτουργία της ανεμογεννήτριας στα πλαίσια ενός αυτόνομου υβριδικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε., ο οποίος συνδυάζει τεχνολογίες υδρογόνου για παραγωγή – αποθήκευση ενέργειας. Προτάθηκε νέα μεθοδολογία διαχείρισης των συνιστωσών, η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη παροχή ισχύος στο φορτίο, σε συνδυασμό με αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση του συστήματος.The present thesis develops appropriate models for the representation of the operating characteristics of wind generator systems during autonomous as well as grid-connected operation. As far as the autonomous operation is concerned, an extensive investigation of different control strategies has been performed and appropriate maximum power point tracking (MPPT) control techniques have been proposed. For grid-connected operation cases, innovative controllers for the improvement of wind generator behavior during faults have been developed. Moreover, a small autonomous hybrid system including wind generators as well as proton exchange membrane fuel cells and electrolyzers has been investigated. In a first step a coupled field and circuit model has been developed for the permanent magnet generator employed, providing adequate representation of higher order electrical and mechanical phenomena. Based on this model, an appropriate control method has been proposed enabling reduction of the output power ripple due to rotor eccentricity. In a second step, regarding the control of the wind generator under autonomous operation, four different MPPT controllers have been designed and implemented in a prototype wind generator system. These controllers have been evaluated through simulated results validated by measurements under both step and measured wind speed variations. The comparison of the respective system responses illustrated several advantages and disadvantages of each methodology leading to the proposal of a particular optimal controller based on fuzzy logic techniques. Moreover, a controller for grid-connected operation has been developed, enabling extension of the interconnected wind turbine operation under grid faults or voltage sags, according to the international standards, achieving equally current reduction. Finally, the wind generator has been studied as a part of a small renewable energy hybrid production plant. A particular control strategy has been proposed, combining uninterrupted load supply, increased system reliability, avoidance of frequent unnecessary on/off cycling of the fuel cell and transients of power supply for the electrolyzer.Χαράλαμπος Κ. Πάτσιο