Models and optimization of islanded micro-grids including renewable energy sources and battery energy storage systems

There is an increasing interest in small electrical systems (micro-grids) with a high penetration of Renewable Energy Systems (RES), mainly in two different fields: the electrification of rural areas in Developing Countries and the integration of the Distributed Generation in electrical grids of industrialized countries. This work deals with rural electrification projects, where the micro-grids main purpose is to guarantee the continuity of supply to the loads, exploiting as much as possible the local resources. It is well known that the main drawback of RES is the intermittency and unpredictability of the production, due to the dependence on weather conditions (for instance, irradiance and wind speed for photovoltaic and wind power plants). One of the most common and effective solutions to overcome this problem is the use of energy storage systems combined with renewable generators, in particular of storage systems using batteries. The Battery Energy Storage Systems (BESS) provide a reservoir of energy that can be used to integrate and optimize RES generation, in particular in supporting the stability and maximizing the power production, thanks to a better programmability. Other several functions can be performed by BESS for the improvement of RES generation; for instance, power smoothing, where BESS compensates RES fluctuations, or peak-shaving, in which BESS can store the excess RES power that cannot be inject into the grid. However, the storage systems cannot be treated as an infinite sink or source of energy and, therefore, they may be unavailable to perform energy storage functions in certain cases (e.g.: battery fully charged or discharged). To face this problem, a careful management of the BESS State of Charge (SOC) is a key element of the control system of the micro-grid. This work proposes optimization models, based on forecasts of RES production and load demand, as methods for the optimal management of islanded micro-grids, composed of a photovoltaic (PV) plant and Diesel Generators (DG).

Vi è un crescente interesse nei sistemi elettrici di piccole dimensioni (micro-grid) con una elevata penetrazione di sistemi di energia rinnovabile (Renewable Energy Systems, RES), principalmente in due campi diversi: l'elettrificazione delle zone rurali nei Paesi in via di sviluppo e l'integrazione della generazione distribuita nelle reti elettriche dei Paesi industrializzati. Il presente lavoro è rivolto a progetti di elettrificazione rurale, in cui lo scopo principale delle micro-grids è quello di garantire la continuità della fornitura ai carichi, sfruttando il più possibile le risorse locali. E’ ben noto che il principale svantaggio dei RES è l'intermittenza e imprevedibilità della produzione, a causa della dipendenza dalle condizioni climatiche (ad esempio, di irraggiamento e velocità del vento per impianti di tipo fotovoltaico ed eolico). Una delle soluzioni più comuni ed efficaci per superare questo problema è l'uso di sistemi di accumulo dell'energia combinati con generatori rinnovabili, in particolare dei sistemi di stoccaggio con batterie. I Battery Energy Storage Systems (BESS) forniscono una riserva di energia che può essere utilizzata per integrare e ottimizzare la generazione proveniente dai RES, in particolare nel sostenere la stabilità e massimizzare la produzione di energia elettrica, grazie ad una migliore programmabilità. I BESS possono svolgere numerose ulteriori funzioni a supporto della generazione da fonti rinnovabili; per esempio, power-smoothing, in cui il BESS compensa le fluttuazioni del RES, o peak-shaving, in cui BESS può accumulare la potenza del RES in eccesso e che non può essere iniettata in rete. Tuttavia, i sistemi di stoccaggio non possono essere trattati come una fonte di energia e di accumulo infinita e, quindi, possono non essere disponibili per eseguire funzioni di storage dell'energia in alcuni casi (ad esempio quando la batteria è completamente carica o scarica). Per far fronte a questo problema, un’attenta gestione dello stato di carica del BESS è un elemento chiave del sistema di controllo delle micro-grids. Il presente lavoro propone dei modelli di ottimizzazione, sviluppati sulla base della previsione della produzione da fonti rinnovabili di tipo non programmabile e della domanda di carico, come metodi per la gestione ottimale di micro-reti isolate, composte da un sistema fotovoltaico e da generatori diesel.