Dynamic Modelling of Advanced Battery Energy Storage System for Grid-Tied AC Microgrid Applications

In the last decade, power generation technology innovations and a changing economic, financial, and regulatory environment of the power markets have resulted in a renewed interest in on-site small-scale electricity generation, also called distributed, dispersed or decentralized generation (DG). Other major factors that have contributed to this evolution are the constraints on the construction of new transmission lines, the increased customer demand for highly reliable electricity and concerns about climate change. Along with DG, local storage directly coupled to the grid (aka distributed energy storage or DES) is also assuming a major role for balancing supply and demand, as was done in the early days of the power industry. All these distributed energy resources (DERs), i.e. DG and DES, are presently increasing their penetration in developed countries as a means to produce in-situ highly reliable and good quality electrical power. Incorporating advanced technologies, sophisticated control strategies and integrated digital communications into the existing electricity grid results in Smart Grids (SGs), which are presently seen as the energy infrastructure of the future intelligent cities. Smart grids allow delivering electricity to consumers using two-way (full-duplex) digital technology that enable the efficient management of consumers and the efficient use of the grid to identify and correct supply-demand imbalances. Smartness in integrated energy systems (IESs) which are called microgrids (MG) refers to the ability to control and manage energy consumption and production in the distribution level. In such IES systems, the grid-interactive AC microgrid is a novel network structure that allows obtaining the better use of DERs by operating a cluster of loads, DG and DES as a single controllable system with predictable generation and demand that provides both power and heat to its local area by using advanced equipments and control methods. This grid, which usually operates connected to the main power network but can be autonomously isolated (island operation) during an unacceptable power quality condition, is a new concept developed to cope with the integration of renewable energy sources (RESs). Grid connection of RESs, such as wind and solar (photovoltaic and thermal), is becoming today an important form of DG. The penetration of these DG units into microgrids is growing rapidly, enabling reaching high percentage of the installed generating capacity. However, the fluctuating and intermittent nature of this renewable generation causes variations of power flow that can significantly affect the operation of the electrical grid. This situation can lead to severe problems that dramatically jeopardize the microgrid security, such as system frequency oscillations, and/or violations of power lines capability margin, among others. This condition is worsened by the low inertia present in the microgrid; thus requiring having available sufficient fast-acting spinning reserve, which is activated through the MG primary frequency control. To overcome these problems, DES systems based on emerging technologies, such as advanced battery energy storage systems (ABESSs), arise as a potential alternative in order to balance any instantaneous mismatch between generation and load in the microgrid. With proper controllers, these advanced DESs are capable of supplying the microgrid with both active and reactive power simultaneously and very fast, and thus are able to provide the required security level. The most important advantages of these advanced DESs devices include: high power and energy density with outstanding conversion efficiency, and fast and independent power response in four quadrants. Much work has been done, especially over the last decades, to assess the overall benefits of incorporating energy storage systems into power systems. However, much less has been done particularly on advanced distributed energy storage and its utilization in emerging electrical microgrid, although major benefits apply. Moreover, no studies have been conducted regarding a comparative analysis of the modeling and controlling of these modern DES technologies and its dynamic response in promising grid-interactive AC microgrids applications. In this chapter, a unique assessment of the dynamic performance of novel BESS technologies for the stabilization of the power flow of emerging grid-interactive AC microgrids with RESs is presented. Generally, electrochemical batteries include the classic and well-known lead-acid type as well as the modern advanced battery energy storage systems. ABESSs comprise new alkaline batteries, nickel chemistry (nickel-metal hydride?NiMH, and nickel-cadmium?NiCd), lithium chemistry (lithium-ion?Li-Ion, and lithium?polymer-Li-po), and sodium chemistry (sodium-sulfur?NaS, and sodium-salt?NaNiCl). In this work, of the various advanced BESSs nowadays existing, the foremost ones are evaluated. In this sense, the design and implementation of the proposed ABESSs systems are described, including the power conditioning system (PCS) used as interface with the grid. Moreover, the document provides a comprehensive analysis of both the dynamic modeling and the control design of the leading ABESSs aiming at enhancing the operation security of the AC microgrid in both grid-independent (autonomous island) and grid-interactive (connected) modes...Fil: Sarasua, Antonio Ernesto. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; ArgentinaFil: Molina, Marcelo Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; ArgentinaFil: Mercado, Pedro Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentina. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; Argentin

Sistemas de almacenamiento basados en baterías para su utilización en microredes eléctricas

Las microredes eléctricas utilizan sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía renovables y son capaces de operar en forma independiente del sistema interconectado de potencia. Dada la aleatoriedad del recurso de energía que generalmente utilizan, se hace indispensable el complemento de ese tipo de generación con almacenadores de energía. Hoy en día el uso de almacenadores de gran tamaño es no solo factible, sino también competitivo frente a otras opciones. En este trabajo se analizan los aspectos más importantes que debe tener un sistema de almacenamiento con baterías para ser utilizado en microredes eléctricas. Luego de ello se seleccionan las baterías que cumplen con la mayor cantidad de requisitos definidos y se muestran las características principales de cada tipo de batería. Se discute luego cuáles son las características más importantes para un modelo que las represente y se propone finalmente un modelo general válido para todos los tipos de baterías analizadas.Fil: Sarasua, Antonio Ernesto. Universidad Nacional de San Juan; ArgentinaFil: Molina, Marcelo Gustavo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Energía Eléctrica. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; ArgentinaFil: Pontoriero, Domingo Hector. Universidad Nacional de San Juan; ArgentinaFil: Mercado, Pedro Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Energía Eléctrica. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; Argentin

Integración de energía eólica y sistemas de almacenamiento en sistemas de suministro de energía eléctrica

Los avances tecnológicos en el área de electrónica de potencia y los incentivos para la instalación de grandes sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía renovables, posibilitan hoy en día que experiencias aisladas o pequeñas de energías renovables puedan ser aplicadas en sistemas eléctricos de potencia a gran escala. Entre los sistemas basados en energías renovables, se destacan los eólicos por ser los de mayor envergadura y capacidad. Dada la aleatoriedad del recurso que utilizan, para grandes niveles de penetración, la estabilidad del sistema de potencia debe ser revisada para garantizar la seguridad y con ello la continuidad del servicio eléctrico. En este trabajo se analizan los aspectos de seguridad que involucra la inclusión de grandes granjas eólicas en los sistemas de potencia y se propone un esquema de incorporación de energía eólica y almacenamiento de energía para su inclusión en forma segura en estos sistemas.Power systems around the world require performing various tasks at the same time. The necessity to generate electricity at low cost, with less or null pollution and the cost increase of petroleum, put power utilities on a large and permanent stress. Renewable energy sources like wind generation is today part of a solution for various utilities problems. They are in first place concerning low pollution and the combustible has null cost. They have unfortunately a big problem: they are unpredictable. Especially in the case of wind for short periods it is difficult to assure its generation. Power systems operator cannot take into account wind farms in operational planning stage. This paper discusses the conditions for wind energy can take part of the spinning reserve in power system and make a proposal to include wind farms in spinning reserve with help of energy storage systems.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Integración de energía eólica y sistemas de almacenamiento en sistemas de suministro de energía eléctrica

Los avances tecnológicos en el área de electrónica de potencia y los incentivos para la instalación de grandes sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía renovables, posibilitan hoy en día que experiencias aisladas o pequeñas de energías renovables puedan ser aplicadas en sistemas eléctricos de potencia a gran escala. Entre los sistemas basados en energías renovables, se destacan los eólicos por ser los de mayor envergadura y capacidad. Dada la aleatoriedad del recurso que utilizan, para grandes niveles de penetración, la estabilidad del sistema de potencia debe ser revisada para garantizar la seguridad y con ello la continuidad del servicio eléctrico. En este trabajo se analizan los aspectos de seguridad que involucra la inclusión de grandes granjas eólicas en los sistemas de potencia y se propone un esquema de incorporación de energía eólica y almacenamiento de energía para su inclusión en forma segura en estos sistemas.Power systems around the world require performing various tasks at the same time. The necessity to generate electricity at low cost, with less or null pollution and the cost increase of petroleum, put power utilities on a large and permanent stress. Renewable energy sources like wind generation is today part of a solution for various utilities problems. They are in first place concerning low pollution and the combustible has null cost. They have unfortunately a big problem: they are unpredictable. Especially in the case of wind for short periods it is difficult to assure its generation. Power systems operator cannot take into account wind farms in operational planning stage. This paper discusses the conditions for wind energy can take part of the spinning reserve in power system and make a proposal to include wind farms in spinning reserve with help of energy storage systems.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Integración de energía eólica y sistemas de almacenamiento en sistemas de suministro de energía eléctrica

Los avances tecnológicos en el área de electrónica de potencia y los incentivos para la instalación de grandes sistemas de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía renovables, posibilitan hoy en día que experiencias aisladas o pequeñas de energías renovables puedan ser aplicadas en sistemas eléctricos de potencia a gran escala. Entre los sistemas basados en energías renovables, se destacan los eólicos por ser los de mayor envergadura y capacidad. Dada la aleatoriedad del recurso que utilizan, para grandes niveles de penetración, la estabilidad del sistema de potencia debe ser revisada para garantizar la seguridad y con ello la continuidad del servicio eléctrico. En este trabajo se analizan los aspectos de seguridad que involucra la inclusión de grandes granjas eólicas en los sistemas de potencia y se propone un esquema de incorporación de energía eólica y almacenamiento de energía para su inclusión en forma segura en estos sistemas.Power systems around the world require performing various tasks at the same time. The necessity to generate electricity at low cost, with less or null pollution and the cost increase of petroleum, put power utilities on a large and permanent stress. Renewable energy sources like wind generation is today part of a solution for various utilities problems. They are in first place concerning low pollution and the combustible has null cost. They have unfortunately a big problem: they are unpredictable. Especially in the case of wind for short periods it is difficult to assure its generation. Power systems operator cannot take into account wind farms in operational planning stage. This paper discusses the conditions for wind energy can take part of the spinning reserve in power system and make a proposal to include wind farms in spinning reserve with help of energy storage systems.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Dynamic model of sodium sulphur battery for application in microgrids

Hoy en día, además de la tendencia a utilizar fuentes renovables de energía, existe también una tendencia a operar estas unidades en una forma descentralizada de modo que sean capaces, si es necesario, de trabajar independientemente o en forma aislada del resto del sistema de potencia. Estos sistemas se denominan microredes (MGs). Cuando se utilizan fuentes de energías renovables, basadas principalmente en la radiación solar o el viento, el problema que normalmente se enfrenta son las fluctuaciones y la naturaleza intermitente de estos recursos. En el caso de las MGs este problema es particularmente crítico dada la capacidad que deben tener de trabajar en forma aislada. Para operar con seguridad la MG normalmente se utiliza una combinación de varios tipos de generadores y también se hace uso de almacenamiento de energía para mantener el equilibrio de la potencia activa. Entre los nuevos sistemas de almacenamiento, las baterías de sodio-sulfuro (NAS) se consideran adecuadas para llevar a cabo diversas tareas de seguridad en las MGs. Las baterías del tipo NAS tienen son capaces de almacenar gran cantidad de energía y densidad de potencia por unidad de volumen y también pueden proporcionar energía tanto en el corto como en el largo alcance. Sin embargo, el inconveniente que estas baterías tienen es que hay pocos modelos que representan fielmente su comportamiento dinámico. Para un estudio adecuado de la seguridad de MGs usando baterías tipo NAS, es necesario identificar el comportamiento dinámico de estas baterías con un modelo preciso. Este artículo presenta el modelado detallado y simulación dinámica de un dispositivo de almacenamiento tipo NAS para su uso en microredes. También se describe el sistema de acondicionamiento de potencia (DSTATCOM) que se utiliza para conectar la batería NAS con la MG y la estrategia de control. Por último, el modelo de la batería NAS se implementa en el entorno de MATLAB / Simulink, poniéndolo a prueba en una microred.Nowadays, in addition to a tendency to the use of renewable energy sources, there is also the tendency to operate these units in a decentralized manner so that they are able, if necessary, to work independently or in isolation from the rest of the power system. These systems are called microgrids (MGs). When using renewable energy sources, mainly based on solar radiation or wind, the problem is mainly the fluctuating and intermittent nature of these resources. In the case of MGs, this problem is particularly critical given the need of the ability to work in isolation. To operate MGs safely, a combination of several types of generators and also energy storage should be used to maintain the balance of active power. Among the new storage systems, sodium sulphur batteries (NAS) are considered suitable to perform various security tasks in MG. NAS batteries have a high energy and power density per unit volume and they can also provide energy in both the short and long range. However, the disadvantage of these batteries is that there are few models that genuinely represent their dynamic behavior. For a proper study of the security of MGs using NAS battery, it is necessary to identify their dynamic performance with an accurate model. This paper presents the detailed modeling and dynamic simulation of a NAS battery storage for use in MGs. It also describes the power conditioning system (DSTATCOM) used to connect the NAS battery with the MG and the control strategy. Finally, a NAS battery model was implemented in the environment of MATLAB/Simulink, and then tested in a microgrid system.Fil: Sarasua, Antonio Ernesto. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; ArgentinaFil: Molina, Marcelo Gustavo. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Mercado, Pedro Enrique. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Energía Eléctrica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin