This handbook serves as a guide to deploying battery energy storage technologies, specifically for distributed energy resources and flexibility resources. Battery energy storage technology is the most promising, rapidly developed technology as it provides higher efficiency and ease of control. With energy transition through decarbonization and decentralization, energy storage plays a significant role to enhance grid efficiency by alleviating volatility from demand and supply. Energy storage also contributes to the grid integration of renewable energy and promotion of microgrid.
Abstract The article presents an analysis of performance of an energy storage element used in uninterruptible power supply systems built with the use of supercapacitors. It describes the operation of the voltage balancing system during charging and discharging of the capacitors. Attention has been drawn to the energy conditions of the system's operation and solutions that provide enhanced energy efficiency have been described.
In this work, a strategy for scheduling a battery energy storage system (BESS) in a renewable energy community (REC) is proposed. RECs have been defined at EU level by the 2018/2001 Directive; some Member States transposition into national legislation defined RECs as virtual microgrids since they still use the existing low voltage local feeder and share the same low-medium voltage transformer. This work analyzes a REC which assets include PV generators, BESS and non-controllable loads, operating under the Italian legislative framework. A methodology is defined to optimize REC economic revenues and minimize the operation costs during the year. The proposed BESS control strategy is composed by three different modules: (i) a machine learning-based forecast algorithm that provides a 1-day-ahead projection for microgrid loads and PV generation, using historical dataset and weather forecasts; (ii) a mixed integer linear programming (MILP) algorithm that optimizes the BESS scheduling for minimal REC operating costs, taking into account electricity price, variable feed-in tariffs for PV generators, BESS costs and maximization of the self-consumption; (iii) a decision tree algorithm that works at the intra-hour level, with 1 min timestep and with real load and PV generation measurements adjusting the BESS scheduling in real time. Validation of the proposed strategy is performed on data acquired from a real small-scale REC set up with an Italian energy provider. A 10% average revenue increase could be obtained for the prosumer alone when compared to the non-optimized BESS usage scenario; such revenue increase is obtained by reducing the BESS usage by around 30% when compared to the unmanaged baseline scenario.
Deep Reinforcement Learning (DRL) proved to be successful for solving complex control problems and has become a hot topic in the field of energy systems control, but for the particular case of thermal energy storage (TES) systems, only a few studies have been reported, all of them with a complexity degree of the TES system far below the one of this study. In this paper, we step forward through a DRL architecture able to deal with the complexity of an innovative hybrid energy storage system, devising appropriate high-level control operations (or policies) over its subsystems that result optimal from an energy or monetary point of view. The results show that a DRL policy in the system control can reduce the system operating costs by more than 50%, as compared to a rule-based control (RBC) policy, for cooling supply to a reference residential building in Mediterranean climate during a period of 18 days. Moreover, a robustness analysis was carried out, which showed that, even for large errors in the parameters of the system simulation models corresponding to an error multiplying factors up to 2, the average cost obtained with the original model deviates from the optimum value by less than 3%, demonstrating the robustness of the solution over a wide range of model errors. ; The authors would like to thank the Catalan Government for the quality accreditation given to their research group (2017 SGR 1537). GREiA is certified agent TECNIO in the category of technology developers from the Government of Catalonia.
A sociedade hoje em dia é maioritariamente dependente do petróleo, esta dependência é verificada sobretudo em setores industriais. Esta dependência é ainda mais acentuada na indústria automóvel, onde a maioria dos combustíveis provêm do petróleo. O fato de só alguns países possuírem reservas de petróleo faz com que se crie uma dependência destes países a esse produto. Esta dependência é prejudicial a nível económico e ambiental. A produção de CO2 e de outros gases para a atmosfera durante o processo de queima do petróleo tem causado fenómenos, como por exemplo, efeito de estufa, alterações climáticas, chuvas ácidas, buraco de ozono etc., o que tem levantado algumas preocupações em reduzir essas emissões de gases. Estas preocupações têm feito desenvolver novas tecnologias em diversos setores industriais visando sempre um desenvolvimento sustentável e processos mais eficientes. Um dos maiores setores consumidores de petróleo é o automobilista. Por isso, nesse setor tem-se verificado uma grande mudança no tipo de veículos fabricados. O setor tem evoluído no sentido de criar uma nova geração de veículos menos poluentes. Tem-se revisto por completo o conceito automóvel. Hoje um automóvel já não é visto como sendo um veículo térmico dependente do petróleo e altamente poluente. Agora tem-se focado em veículos independentes dessa matéria-prima tornando-os menos poluentes, de forma a diminuir o impacto no planeta terra. Ao longo destes últimos anos tem-se realizado enúmeres estudos para veículos mais eficientes e menos poluentes e isso tem-se notado no mercado com o aumento de veículos híbridos e elétricos. Um veículo híbrido nesse contexto é visto como um veículo que possui mais que uma fonte de energia para alimentar o seu sistema de tração, estas fontes de energia podem ser do mesmo tipo ou diferente. Um veículo elétrico é um veículo que possui somente uma fonte de energia que neste caso será elétrica para alimentar o seu sistema de tração. Na maioria dos casos essa fonte serão baterias. Também existirão veículos híbridos elétricos, ou seja, veículos com mais que uma fonte de energia mas neste caso as duas ou mais fontes serão elétricas. Contudo o desenvolvimento deste tipo de veículo pode não ser a solução mais eficiente. Isto porque, um veículo elétrico necessita de energia elétrica para recarregar as suas fontes de energia. O problema coloca-se na forma como é obtida essa energia. Estudos indicam que é mais rentável utilizar veículos térmicos do que elétricos, dependendo do modo de produção da energia elétrica. Centrais a gás natural mas sobretudo a carvão libertam grandes quantidades de CO2 no processo de produção de energia tornando esta solução tão ou mais poluente que os veículos térmicos. A solução ideal seria a utilização de fontes renováveis tais como, eólicas, fotovoltaica, biomassa etc. Por isso, a implementação do uso de veículos Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo elétricos no nosso quotidiano tem que ser um compromisso entre diversos setores da sociedade. Um dos setores influêntes é o setor politico.Esse setor terá de porpocinonar formas e condições para a implementação deste tipo de veículos na sociedade. Outros setores serão os de marketing para realçar as vantagens de o uso desse tipo de transporte. Por fim, o ultimo setor será o setor automóvel, esse setor tem como tarefa apresentar produtos atrativos e a preços acessíveis. Este estudo foi realizado com a colaboração do "Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille, L2EP". Este laboratório é especializado em controlo de sistema electromecânicos como por exemplo, metros, carros elétricos, tendo também experiência em sistemas de produção de energia como sistemas eólicos e painéis fotovoltaicos. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de armazenamento de energia híbrido elétrico para veículos elétrico e da sua estratégia de gestão de energia. Este sistema é constituído por baterias e supercondensadores. Para a representação deste sistema foi utilizado um formalismo desenvolvido pelo L2EP, "Energetic Macroscopic Representation" utilizando a ferramenta do Matlab Simulink. Este formalismo é desenvolvido pelo "Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissanse de Lille, L2EP"e baseia-se no efeito de causalidade. Para definir a cadeia de controlo é necessário inverter diretamente cada um dos elementos. Com esta forma de deduzir o controlo encontramos diretamente onde serão necessários colocar controladores. Assim sendo, o controlo do sistema é conseguido de forma sistemática. De forma a distinguir cada um dos elementos, consoante as suas características, utilizam-se cincos diferentes pictogramas. Estes são: Fontes de energia; Elementos de acumulação; Elementos de conversão mono físicos Elementos de conversão multi físicos; Elementos de acoplamento; O sistema estudado é um veículo elétrico "TAZZARI". Este veículo pertence ao L2EP e é utilizado para desenvolver projetos académicos ou projetos de doutoramentos. O seu sistema de tração é constituído por um motor de indução trifásica, inversor, um diferencial, rodas e o seu chassis. O sistema de armazenamento de energia estudado é um híbrido elétrico constituído por baterias, supercondensadores e um conversor de eletrónica de potência. Este tipo de veículos possui custos ainda muito elevados e autonomias relativamente baixas quando comparadas com veículos térmicos. Isto deve-se ao seu sistema de armazenamento de Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo energia possuir uma densidade energética inferior à dos combustíveis utilizados nos veículos térmicos. Estas fontes de energia são tipicamente baterias devido à sua grande densidade de energia elétrica. É essa densidade energética que permite obter a sua autonomia. Em contra partida uma bateria possui baixa densidade de potência, e esta característica torna-se prejudicial quando o sistema de tração requer grandes quantidades de potência, em momentos de grandes acelerações por exemplo. Nestes momentos de alta potência as baterias poderão fornecer essa potência mas degradando o seu tempo de vida. O fato de o sistema ser constituído por baterias, trás desvantagens em relação aos seus custos. De fato este componente é dos mais caros neste tipo de veículos. Baterias têm um tempo de vida em modos de utilização aconselháveis de aproximadamente 5 anos. Como foi explicado, uma bateria não é o mais adequado para alimentar este tipo de tração. Neste momento no mercado não existe nenhuma fonte de energia que seja capaz de satisfazer plenamente o sistema em termos de potência e energia. Existe então uma necessidade de encontrar soluções para aumentar o seu tempo de vida de forma a baixar os custos associados à manutenção. Esta solução tem passado por criar sistemas de armazenamento de energia híbridos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos sobre este tipo de sistemas. Tem-se estudado diversas topologias, existindo duas grandes categorias, passiva e ativa, sendo estas possuidoras de características distintas: Passiva: nesta topologia as duas fontes encontram-se conectadas diretamente em paralelo; Ativa, esta topologia possui diversas sub-topologias: "Cascade converters" "Paralell Multi-inputs converter" "Multiple converters" Supercondensadores/Baterias Baterias/Supercondensadores Para o controlo deste tipo de sistemas é necessário aplicar uma estratégia de gestão de energia de forma a conseguir gerir da melhor forma possível os fluxos de energia entre as duas fontes. Algumas das estratégias já estudadas são: Filtragem Corrente de saturação "Switch" Aceleração Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo Neste trabalho é estudada a topologia ativa, supercondensadores/baterias. Esta topologia possui duas grandes vantagens. Possui um DC-Bus praticamente constante, dado ter a bateria a garantir o nível tensão e utilizar os supercondensadores com alto rendimento para conseguir-se aproveitar grande parte da potência armazenada. A estratégia utilizada é a estratégia de filtragem. Esta estratégia permite filtrar a potência de tração necessária em altas e baixas frequências. A potência de tração possui altas frequências, que corresponde a níveis de potência elevados e baixas frequências que corresponde a níveis de energia elevados. Como foi dito anteriormente as baterias conseguem alimentar um sistema com muita energia mas não conseguem, sem degradar o seu tempo de vida, fornecer altas potências. Com esta estratégia é possível separar isso e fazer com que as baixas frequências sejam alimentadas pelas baterias e as altas pelos supercondensadores. Contudo a estratégia é definida por um conjunto de regras definidas de forma a assegurar a segurança do utilizador e dos componentes. Nessa estratégia existe a particularidade de poder recuperar alguma da energia reenviada pelo sub sistema de tração durantes as fases de travagem. Esta característica permite-nos recarregar as baterias e os supercondensadores. Tendo isto como objetivo os supercondensadores serão dimensionados consoante a potência necessária para o sistema de tração e as baterias serão dimensionadas para a necessidade energética . Na representação do sistema foram expostos todos os elementos constituintes do sistema. Foram considerados para cada um dos modelos os fenómenos mais relevantes para a análise final do sistema. A parte do controlo é obtida através da inversão direta de todos os elementos à exceção dos elementos de acumulação, onde essa inversão direta não é possível. Nesse elemento o controlo é feito com a ajuda de controladores do tipo IP, integral proporcional. Foi feita a escolha desses controladores para evitar "overshoots" e em certos casos para resolver problemas de "algebric loops". De forma a simular o comportamento de um condutor, foi utilizado um "cycle drive" para veículos elétricos, "World-Wide Harmonized Light" "WLTC". Este tipo de ciclo possui diversas classes conforme o rácio entre a massa do veículo e a potência da máquina elétrica. Os resultados obtidos não foram integralmente os esperados. Verifica-se, em alguns momentos, que os supercondensadores não fornecem a parte de altas frequências devido a limitações impostas pela estratégia de energia. Como trabalho futuro propõe-se desenvolver outro tipo de estratégia de forma a obter resultados mais eficientes aplicando outra tipo de fonte como auxílio às baterias.
In this paper, a nonlinear integral sliding mode control for a hybrid energy storage system (HESS) based stand-alone dc microgrid has been proposed and applied experimentally. This hybrid system comprises a PV, super-capacitor, and battery. A classical PI-based linear control strategy has been designed to control battery and super-capacitor systems based on decoupling the high and low-frequency components to estimate reference current. Since the frequent discharge during operation, super-capacitor power can reach the lowest value, affecting controller performance and making the system unstable. From the experimental result, a nonlinear Integral sliding mode control ISMC is performed as an inner loop controller to regulate battery and super-capacitor power. Also, the PI controller is implemented as an outer loop controller to regulate the dc-link. The proposed control approach is compared with the linear PI controller to improve life extension and minimize stress on the battery. As a result, the proposed control strategy has achieved high dynamic system performance.
This paper proposes a fuzzy logic-based energy management system (EMS) for microgrids with a combined battery and hydrogen energy storage system (ESS), which ensures the power balance according to the load demand at the time that it takes into account the improvement of the microgrid performance from a technical and economic point of view. As is known, renewable energy-based microgrids are receiving increasing interest in the research community, since they play a key role in the challenge of designing the next energy transition model. The integration of ESSs allows the absorption of the energy surplus in the microgrid to ensure power supply if the renewable resource is insufficient and the microgrid is isolated. If the microgrid can be connected to the main power grid, the freedom degrees increase and this allows, among other things, diminishment of the ESS size. Planning the operation of renewable sources-based microgrids requires both an efficient dispatching management between the available and the demanded energy and a reliable forecasting tool. The developed EMS is based on a fuzzy logic controller (FLC), which presents different advantages regarding other controllers: It is not necessary to know the model of the plant, and the linguistic rules that make up its inference engine are easily interpretable. These rules can incorporate expert knowledge, which simplifies the microgrid management, generally complex. The developed EMS has been subjected to a stress test that has demonstrated its excellent behavior. For that, a residential-type profile in an actual microgrid has been used. The developed fuzzy logic-based EMS, in addition to responding to the required load demand, can meet both technical (to prolong the devices' lifespan) and economic (seeking the highest profitability and efficiency) established criteria, which can be introduced by the expert depending on the microgrid characteristic and profile demand to accomplish. ; This research was funded by "Configuration and management of micro-grid based on renewable energy and hydrogen technology (H2SMART-μ GRID)" Spanish Government, grant Ref: PI2017-85540-R.
The European Union's 2020 climate and energy package (known as "20–20–20" targets) requests, among other key objectives, 40% of the electricity production in Greece to be supplied from Renewable Energy Sources by 2020. The main barriers for reaching this target is the intermittency of renewable energy sources combined with the penetration limits in the local electrical grids and the high seasonal demand fluctuations. In this context, the introduction of energy storage systems, comprises one of the main solutions for coping with this situation. One of the most promising technologies for storing the excess energy, that would be otherwise lost, is the production and storage of hydrogen through water electrolysis. Hydrogen can be used for supporting the electricity grid during periods of high demand but also as transportation fuel for hydrogen-based automobiles (e.g. fuel cell vehicles). For this purpose, a simulation algorithm has been developed, able to assess the specifications of the optimum sizing of hydrogen production storage systems. For the application of the algorithm, the area of the Aegean Sea has been selected, owed to the considerable renewable energy sources curtailments recorded in the various non-interconnected islands in the region. More specifically, the developed algorithm is applied to an autonomous electricity network of 9 islands, located at the SE area of the Aegean Sea and known as the "Kos-Kalymnos" electricity system. The results obtained designate the optimum size of the hydrogen-based configuration, aiming to maximize the recovery of otherwise curtailed renewable energy production. ; This is the pre-peer reviewed version of the article, which has been published in final form at https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.050. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Elsevier Terms and Conditions for Self-Archiving
