JOINT CAPACITY OPTIMIZATION OF RENEWABLE GENERATION AND HYBRID ENERGY STORAGE FOR MICRO-GRIDS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_Final.pdf - Submitted Version Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

خلال العقود القليلة الماضية، جعلت المخاوف المتزايدة بشأن الاحتباس الحراري و الأسعار المتقلبة للوقود الأحفوري من مصادر الطاقة المتجددة (RE) بديلاً جذاباً. و قد تعزز هذا الاتجاه أكثر بسبب التقدم السريع في مجال إلكترونيات القوى – و التي مكنت من التحكم الكامل بمصادر الطاقة المتجددة – في حدود القيود التي تفرضها الظواهر الطبيعية. و مع ذلك، فإن التكلفة المرتفعة و الطبيعة العشوائية لمصادر الطاقة المتجددة و تقطعها تعقد عمليات التخطيط لتلك المصادر، و التكامل، و التشغيل في نظام الطاقة الكهربائية. تعتمد تقنيات مصادر الطاقة المتجددة، مثل الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV) و توربينات الرياح (WTs)، على موارد ذات طبيعةٍ عشوائيةٍ، و تصادفيةٍ، و متقطعةٍ لأنها تعتمد على الطقس و التغيرات المناخية و على التوقيت اليومي و السنوي. فتصميم نظامٍ يوظف كلاً من مصادر الطاقة المتجددة و نظام تخزينٍ للطاقة (ESS) يعتمد على سلوك الحمل، و على الإشعاع الشمسي، و على طاقة الرياح. لذلك، فإن القدرة المُثلى لمصادر طاقةٍ متجددةٍ و نظام تخزينٍ للطاقة المحسوبة لموقعٍ جغرافيّ معينٍ لا تُعتبر مُثلى لأيّ موقعٍ آخر حتى لو تساوت قيم الحمل الأعلى. و بالتالي، فإن من الضروري تحسين مصادر الطاقة المتجددة مع نظام تخزين الطاقة لحصد أكبر قدرٍ من المنافع. يعرض هذا العمل منهجياتٍ لتصميم شبكاتٍ مصغرةٍ (MGs) – التي تستخدم مولداتٍ تقليديةٍ و مولداتٍ موزعةٍ للطاقة المتجددة و نظم تخزينٍ للطاقة – تعمل في كلا الوضعين: وضع الاتصال بالشبكة و الوضع المستقل. تستخدم الألواح الكهروضوئية (PV) و مولدات الرياح (WTs) و مولدات الديزل (DGs) في التوليد الموزّع للطاقة، و يستخدم نظام تخزين الطاقة الهجين (HESS) المكون من بطاريات تخزين الطاقة (BES) و تقنية المكثفات الفائقة (SC) لغرض تخزين الطاقة. تمت صياغة معادلات التحسين الأمثل، و التي اشتملت على مجموعةٍ متنوعةِ من القيود الواقعية المستمدة من توليد الطاقة المتجددة و مولدات الديزل و نظم تخزين الطاقة و الأحمال، و وُضعت دوالّ الهدف من أجل: ١) تقليل التكلفة، ٢) تحسين الموثوقية، ٣) خفض انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG)، ٤) الحد من الطاقة المهدرة. جميع الأهداف لها أهميةٌ خاصةٌ في تصميم الشبكة المصغرة، فعلى سبيل المثال: التكلفة مرتبطةٌ بالاقتصاد، و انبعاثات الغازات الدفيئة متعلقةٌ بالاحتباس الحراريّ، و الطاقة المهدرة مرتبطةٌ باستقرار و اقتصاديات النظام. تمت صياغة معادلات التحسين الأمثل المتاهية و حلُّها بصورةٍ مبتكرةٍ لتقليل التعقيد و الوقت الحسابيّ. كدراسة حالة، تم التحقق من المنهجيات المقترحة باستخدام بياناتٍ حقيقيةٍ لسرعة الرياح، و الإشعاع الشمسيّ، و الطلب على الطاقة في مدينة الدمام في المملكة العربية السعودية. أظهرت نتائج المحاكاة فعالية المنهجيات المقترحة. تُشكل هذه الدراسة خارطة طريقٍ قويةً لصناع القرار، و المحللين، و المشرّعين.

English Abstract

During the past few decades, rising concerns for global warming and volatile fossil fuels prices have made renewable energy (RE) sources an attractive alternative. This trend has been further underpinned by rapid advancements in the power electronics field, which enabled full controllability of RE sources, within the constraints inflicted by the natural phenomenon. However, higher cost and stochastic nature of intermittent RE resources complicates their planning, integration and operation in electric power system. RE sources technologies, i.e., solar photovoltaic (PV) panels and wind turbines (WTs) are dependent on the resources that are random, stochastic, and intermittent as they depend upon weather and climatic changes and time of the day and year. The design of a system employing RE sources and energy storage system (ESS) depends upon the behavior of load, solar irradiation, and wind power. So, optimal capacities of RE sources and ESS calculated for a particular geographical location cannot be taken as optimal for any other location even with same value of peak load demand. Thus, to harvest maximum benefits it is necessary to optimize RE sources and ESS altogether. This work presents methodologies for the design of microgrids (MGs), employing both conventional and renewable distributed generators and energy storage systems, operated in both grid-connected and stand-alone modes. Solar photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WTs), and diesel generators (DGs) are utilized for distributed generation and battery energy storage (BES) system and hybrid energy storage system (HESS) comprising of BES and super capacitor (SC) technology are utilized for energy storage purpose. The optimization problems are formulated, and they involve variety of realistic constraints from RE generation, DGs, ESS, and load and objective functions are proposed to (i) minimize the cost, (ii) improve the reliability, (iii) decrease greenhouse gases (GHG) emissions, and (iv) curtail dump energy. All the objectives have special significance in designing a MG, for example, cost is related to the economics, GHG emissions deal with global warming, and dump energy is related to the stability and economics of the system. The labyrinthine optimization problems are formulated and solved innovatively to decrease the complexity and computational time. As a case study, the proposed methodologies are validated using real-world data of wind speed, solar irradiation and power demand from Dammam city in Saudi Arabia. Simulation results show the effectiveness of the proposed methodologies. This study could be assumed as a powerful roadmap for decision makers, analysts, and policy makers.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Khalid, Muhammad
Committee Members:	Kassas, Muhmoud and Ibrir, Salim
Depositing User:	UMER AKRAM (g201512930)
Date Deposited:	25 Jan 2018 04:53
Last Modified:	01 Nov 2019 16:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140541