Hybrid Battery-Supercapacitor Storage System for Power Quality Enhancement in Microgrids

Hybrid Battery-Supercapacitor Storage System for Power Quality Enhancement in Microgrids. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
thesis_khalid_ms_EE_g201604320_eprint.pdf
Restricted to Repository staff only until 7 January 2022.

Download (3MB)

Arabic Abstract

التغيرات والتقلبات التي تحصل في الطاقة الناتجة عن معظم تقنيات الطاقة المتجددة يؤدي إلى أن تخسر هذه التقنيات قيمتها الاقتصادية, وأيضا فإنها تؤدي إلى تدهور جودة الطاقة الموصلة إلى الأحمال المرتبطة بشبكة الكهرباء. إذن, هناك حاجة إلى ابتكارات تقنية لحل المشكلة, خاصة باستخدام تقنية تضبط الجهد الكهربائي بين قيمتين معينة وذلك لتحسين مرونة تركيب وتوصيل تقنيات الطاقة المتجددة إلى الشبكة. إن استخدام المفهوم الذي اشتهر مؤخرا باسم فولت-فار, وهو يعتمد على تحويل الطاقة النشطة إلى الطاقة الخيالية باستخدام محولات خلايا الطاقة الشمسية (التي تحول الطاقة الثابتة إلى طاقة مترددة), لضبط الجهد الكهربائي في مجال معين, استخدام هذا المفهوم في منطقة مليئة أو ستملأ بتقنيات الطاقة المتجددة يساهم في خفض التيار المتجه باتجاه معاكس, وخفض خسائر الطاقة في النظام, وخفض تغيرات وتقلبات الطاقة في النظام, خاصة إذا استخدم هذا المفهوم في شبكات طاقة تعمل باستخدام مولد طاقة واحد وكانت نسبة المقاومة الحقيقية إلى المقاومة الخيالية لخطوط النقل عالية, وكان أيضا مستوى مخالفة الجهد الكهربائي عالي. لذلك فإن التحكم في قدرة محولات خلايا الطاقة الشمسية لتحويل الطاقة النشطة إلى طاقة خيالية يسهل مرونة اختيار المواقع التي يحصل فيها ضبط للجهد الكهرائي بكفاءة عالية. طريقة الفولت-فار المحلية تستخدم لإدارة نسب الطاقة النشطة والخيالية لخلايا الطاقة الشمسية. جهاز التحكم في هذه الحالة يعتمد على ضبط الجهد الكهربائي بشكل محلي بجانب كل نقطة خلايا شمسية موصلة للشبكة لتحقيق ضبط الجهد الكهربائي الكلي للنظام مع أقل خفض للطاقة النشطة. إن جهاز التحكم هذا تم اختبار أدائه على شبكات كهربائية موصلة بمولد كهربائي واحد وتحتوي على عدد كبير من نقاط خلايا الطاقة الشمسية, وقد تم اختباره مع قيم مختلفة من نسب المقاومات الحقيقية إلى المقاومات الخيالية. إن هذه الطريقة المقترحة تؤمن الحصول على استقرار للجهد الكهربائي في شبكة الكهرباء وهي أيضا تزيد من قدرة الشبكة على استقبال المزيد والمزيد من خلايا الطاقة الشمسية. إن الفائدة المحصلة من وجود حاجز لتخزين الطاقة في الشبكة وذلك باستخدام نظام تخزين للطاقة هي تخفيف الآثار المترتبة على تقلبات الطاقة بشكل كبير وهي أيضا تزيد القدرة على استقبال المزيد من تقنيات الطاقة المتجددة بكفاءة عالية. ولكن العديد من العوائق التقنية والاقتصادية والممنهجة أدت إلى تقليل القدرة على استقبال الشبكة لعدد أكبر من أنظمة تخزين الطاقة. إن استخدام نوع واحد من أنظمة تخزين الطاقة لا يستطيع أن يضبط الجهد الكهربائي بكفاءة جيدة عندما يكون هناك تحديات أخرى مرتبطة بتوصيل المزيد من تقنيات الطاقة المتجددة, وبالتالي فإن التقدم الحاصل باستخدام نظام تخزين الطاقة الهجين وبالاختيار والوصول إلى خصائصه التقنية المناسبة أدى إلى ضبط الجهد الكهربائي بكفاءة عالية. إن القدرة على تطبيق تقنيات تخزين البطارية-المكثف الفائق الهجينة والخلط بينهما تستخدم للحصول على ضبط للجهد الكهربائي بكفاءة عالية وذلك من خلال استخدام خصائصهم المميزة. ولذلك, فإن تصميم جهاز تحكم جديد تم تطويره في هذه الأطروحة من أجل نظام تخزين الطاقة الهجين بالاعتماد على المعوضات من نوع K وأجهزة التحكم الغير خطية من نوع PI. إن جهاز التحكم المصمم تم اختبار أدائه في ضبط الجهد الكهربائي في شبكات كهربائية صغيرة ومعزولة. إضافة إلى ذلك, فإن دراسة مقارنة تم عرضها في الأطروحة بين أجهزة التحكم المطروحة وأجهزة التحكم الأساسية المعتمدة على مرشحات تمرير منخفضة للتردد. إن النتائح التي حصلنا عليها أظهرت أن طريقة التحكم المطروحة قادرة على الوصول إلى استجابة أسرع مع قدرات ضبط متطورة ومتحسنة للجهد الكهربائي, كما أنها أظهرت أيضا أنها قادرة على الحصول على أداء أفضل وعمر أطول للبطارية إذا ما قورنت بنتائج سابقة.

English Abstract

The intermittency of most renewable (RES) technologies excessively impedes their economical significance as well as critically deteriorates the quality of power supplied to the load. Technological innovations are needed, particularly towards voltage regulation, as it inherently effects the flexibility of RES integration. The emerging concept to utilize the Volt-VAr capability of PV inverter’s is suitably applicable for high RES penetration to circumvent a reverse flow of current, system losses and voltage regulation. Especially, in a radial distribution network (RDN) with high R/X ratios of the transmission line and the voltage violation level is significant. Therefore, Volt- VAr control through PV inverter facilitates flexibility of site selection with effective voltage regulation. A local Volt-Var scheme is proposed for active-reactive power management of PVs. The controller is based on local voltage regulation respective to each PV installation to achieve overall system voltage regulation with minimal active power curtailment. This is tested on a RDN with high PV penetration considering various values for the R/X ratios. The proposed scheme ensures voltage stability of the network and also increases the network hosting capacity towards PV integration. Further, the prerogative advantage of energy buffering achieved through energy storage system (ESS) significantly mitigates the effects of RES transience and hence effectively increases the proportion of RES integration. However, a range of systematic, technical and economic barriers has stymied higher penetration of ESS. Since a single type of ESS cannot efficiently address voltage regulation combined with other multi-faced challenges associated with RES integration, development of hybrid energy storage system (HESS) and selective utilization of their suitable technical characteristics is more efficient. The applicability of hybrid battery-supercapacitor storage technologies and their mix is targeted to benefit from key features of both technologies towards voltage variation. A novel controller design is developed for HESS based on k - type compensators and a nonlinear PI controller. The formulated controller is tested for voltage regulation in a standalone microgrid and a comparative analysis is presented with a benchmark low-pass-filter controller. The results obtained shows the proposed control technique possess an improved and faster response towards voltage regulation and comparatively has better battery state-of-charge performance.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Electrical
Department: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Khalid, Muhammad
Committee Members: Abido, Mohammed Ali and Al-Awami, Ali
Depositing User: KHALID KHAN (g201604320)
Date Deposited: 07 Jan 2021 12:00
Last Modified: 07 Jan 2021 12:00
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141798