Life cycle planning of battery energy storage system based on isolated wind solar Diesel microgrid long-term simulation

As fossil fuel has been consumed in the past centuries, the application of renewable energy and storage technology is hence emphasized. Microgrid with hybrid renewable energy becomes an optimal choice for electricity supply of remote areas. However batteries usually have shorter lifetime or higher cost. Therefore, the life cycle planning of battery energy storage system has a significant impact on microgrids tech-economic analysis. In current research, the wind-solar complementary characteristics, battery aging problem and load growth are rarely considered. The main contents of this thesis are organized as follows: The configuration of an isolated wind/solar/diesel microgrid is introduced. The thesis outlines the two-state models and power output characteristics of all the microgrid components. The critical parameters and general charge/discharge models of storage battery are described in detail. The overall framework of the research is put forward as follows: Firstly, the thesis pre-allocates the number of distributed energy resources (DER) considering microgrid load growth. The renewable DER is optimized to maximize the wind-solar complementary characteristics. Secondly, the thesis established a battery energy storage system investment-decision model in which one type of battery will be selected and sized. The objective function is to minimize the life cycle cost of the system. Battery quantitative relationship and operation constraints are considered in the model. Thirdly, the thesis adopts the decomposition-coordination algorithm to achieve the life cycle planning result by coordination iterations of investment-decision model and microgrid long-term Monte Carlo simulation. Time-dependent factors, such as load growth and battery capacity loss, have been taken into account in microgrid simulation. A practical microgrid, Kythnos microgrid in Greece, is chosen for case study. The feasibility of the proposed method is verified through the results. The comparison of the proposed approach with HOMER shows the effectiveness of this method. Sensitivity analysis is applied to further testify the proposed method and give a reference for parameter settings.

A fronte del progressivo esaurimento dei combustibili fossili, la produzione di energia elettrica da risorse rinnovabili e la necessità di costruire grandi strutture per il suo stoccaggio sono diventati oggetto di studio. Le microreti rappresentano una scelta ottimale per la fornitura di energia elettrica anche nelle aree più remote. Tuttavia la vita utile delle batterie, utilizzate per immagazzinare l’energia, non è abbastanza lunga da ammortizzare il loro elevato costo; questo ha un impatto significante nell’analisi tecnico-economica delle micro-reti. La tesi qui presentata, non considerando la variazione del carico, le caratteristiche del vento e il problema dell’invecchiamento delle batterie, si concentra sui seguenti punti: una configurazione di micro-rete con utilizzo di energia eolica, solare e da motori diesel, descrivendo i modelli e le caratteristiche dei componenti in micro-rete e, nel dettaglio, i parametri critici e modelli di “carica/scarica” degli accumulatori utilizzati. Innanzitutto, lo studio assegna il numero di risorse energetiche distribuite (DER) in base alla crescita del carico in micro-rete. Il DER rinnovabile è ottimizzato per massimizzare le caratteristiche complementari dal vento-sola. In secondo luogo, viene selezionato e dimensionato un sistema di accumulatore sulla base di un modello tecnico-economico. Infine, utilizzando l’algoritmo “decomposition-coordination” , si ottiene il piano del ciclo di vita utile attraverso un metodo iterativo con simulazioni Monte-Carlo. Durante le simulazioni sono stati considerati i fattori tempo-dipendenti, quali aumento del carico e perdite degli accumulatori. Come case study è stata scelta la micro-rete Kythnos, in Grecia. La valutazione e l’attuabilità del metodo proposto sono verificate attraverso i risultati: l’efficacia del metodo è dimostrata dal confronto con HOMER. Inoltre, per dare una giustificazione alle impostazioni dei parametri, vi è un’analisi sensitiva.