Optimal Placement and Sizing of Multiple Battery Energy Storage Systems for Monotonic Operation Considering Cycle-Varying Capacity. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis - Hassan I. Alhammad.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 22 May 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تُقدّم هذه الرسالة إطارًا تحسينياً شاملاً لتحديد المواقع والسعات المثلى لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في شبكات الطاقة الحديثة، وذلك لمعالجة الحاجة إلى تعظيم الطاقة المُرسلة من أنظمة التخزين، مع تقليل تدهور سعتها الفعلية وخفض التكاليف الإجمالية، بما في ذلك النفقات الرأسمالية والتشغيلية. يعتمد الإطار المقترح على نموذج برمجة رياضية غير خطية يحتوي على متغيرات صحيحة ومستمرة (MINLP)، حيث يدمج نماذج لتعظيم الطاقة المُرسلة، وإبطاء تدهور السعة، وتقليل التكلفة، بطريقة تراعي الديناميكيات التشغيلية المتغيرة زمنيًا. وقد تم تنفيذ النموذج باستخدام منصة GAMS، وحُلّ باستخدام المحلل BONMIN، مع فرض استراتيجيات تشغيل رتيبة خلال عملية التحسين، تُلزم وحدات التخزين بالخضوع لدورات شحن وتفريغ كاملة، بهدف الحد من تأثيرات الدورات الجزئية. تم اختبار الإطار المقترح على نسخة معدّلة من نظام اختبار الموثوقية IEEE 24-Bus RTS، والتي تتضمن مصادر توليد كهرباء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وقد أظهرت النتائج أن التحسين الرتيب يُسهم بفعالية في تعظيم الطاقة المُرسلة و الحد من تدهور السعة وخفض التكاليف الإجمالية بنسبة تصل إلى ٢٠,٤٠٪ مقارنةً بالتحسين غير الرتيب. تُسهم هذه الدراسة في تطوير منهجيات تخطيط أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات عبر طرح إطار تحسين متعدد الأهداف يوازن بين كفاءة إيصال الطاقة، وتدهور السعة، والتكلفة، بما يوفّر حلاً فعّالًا وواقعيًا يُعزز موثوقية وكفاءة دمج أنظمة التخزين في الشبكات الكهربائية المعتمدة على مصادر الطاقة المتجددة.

English Abstract

This thesis develops a comprehensive optimization framework for the optimal placement and sizing of Battery Energy Storage Systems (BESS) in modern power networks, addressing the need to maximize BESS energy delivery while minimizing degradation and total costs, including capital and operational expenditures. The proposed framework employs a Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP) formulation, integrating energy, degradation, and cost models that account for time-varying operational dynamics. Implemented using the General Algebraic Modeling System (GAMS) platform and solved via the BONMIN solver, the model enforces monotonic operation strategies during the optimization, wherein BESS units are constrained to undergo complete charging and discharging cycles to mitigate partial cycling effects. Tested on a modified IEEE 24-Bus Reliability Test System (RTS) incorporating solar and wind generation, the results demonstrate that monotonic optimization offers superior performance in energy delivery, degradation mitigation, and cost reduction— achieving a 20.40% decrease in total costs—compared to non-monotonic optimization.. This research advances current BESS planning methodologies by introducing a novel multi-objective optimization framework that simultaneously accounts for energy delivery, degradation, and cost performance, providing a robust and practical solution for resilient and economically efficient energy storage integration in renewable-dominated power systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Al-Ismail, Fahad
Committee Members:	Abido, Mohamed and Khalid, Muhammad
Depositing User:	HASSAN ALHAMMAD (g202001620)
Date Deposited:	25 May 2025 07:34
Last Modified:	25 May 2025 07:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143442