Stability analysis and optimal energy management of a stand-alone hybrid micro-grid : a real case study in Somalia

This thesis represents a stability analysis of an islanded hybrid micro-grid, placed in Somalia. The hybrid power plant, composed by four diesel generators, a photovoltaic field and two banks of VRLA gel batteries, has the aim to supply electricity to the city of Garowe, providing a continuous and reliable service and exploiting renewable energy sources as much as possible. The high penetration of renewable energy sources in the micro-grid, significantly influences the operation of the system due to their strong dependence on weather conditions, generating variability and uncertainty in the production. When the total supply of energy is different than the total demand, spinning reserve allows to compensate for imbalances maintaining the stability of the system. The main scope of this work is to lighten spinning reserve constraints of the hybrid power plant, decreasing the use of fossil fuels in favor of renewable energy sources and considering the risks caused by strong variations of PV power or load demand. The operation of the micro-grid has been investigated during the period from July 2016 to September 2016, and a sample sunny day (15th July) has been chosen as the reference day on which the analysis has been focused. After modeling three types of clouds, it has been possible to quantify the variations of PV power produced due to their simulated passage over the solar field, in the sample day. The analysis of the values assumed by the load in the period analyzed, combined with the simulated PV power fluctuations, have led to the formulation of two new methods for the allocation of the spinning reserve. By means of a MIP optimization model and the application of the two proposed methods, it has been possible to introduce an improvement in the management of the power flows of the micro-grid, in particular on the BESS, obtaining a reduction of the operational costs.

In questa tesi è stata realizzata un’analisi di stabilità di una mini-rete ibrida isolata, situata in Somalia. L’impianto ibrido istallato, composto da quattro generatori diesel, un parco fotovoltaico e due banchi di batterie al piombo acido, ha lo scopo di fornire elettricità alla città di Garowe, assicurando un servizio continuo ed affidabile e sfruttando il più possibile le risorse rinnovabili connesse. La produzione da energie rinnovabili è strettamente connessa alle condizioni meteorologiche, per cui un alto indice di penetrazione rinnovabile in un sistema elettrico, influenza fortemente il suo corretto funzionamento, generando vulnerabilità ed incertezza nella produzione di energia. Nel caso in cui l’energia prodotta dall’impianto non coincida con quella richiesta, la spinning reserve è chiamata ad intervenire per ristabilire il bilancio di potenze, mantenendo così la stabilità della mini-rete. Lo scopo principale di questo lavoro è di ridurre la quantità di spinning reserve che i generatori diesel e le batterie devono produrre, in modo tale da diminuire l’utilizzo dei combustibili fossili e massimizzare la produzione rinnovabile (solare), senza rischiare di non riuscire a fronteggiare forti ed improvvise diminuzioni della produzione fotovoltaica o innalzamenti del carico richiesto. Il funzionamento della mini-rete è stato analizzato nel periodo compreso tra luglio 2016 e settembre 2016, durante il quale è stato scelto il 15 luglio, caratterizzato dall’assenza di nuvole per l’intera giornata, come giorno ideale sul quale basare le analisi svolte. Una volta modellati tre tipi di nuvole, è stato possibile calcolare la variazione fotovoltaica prodotta dal loro passaggio sul parco solare nel giorno di riferimento. Attraverso un’analisi approfondita riguardo l’andamento del carico durante tutto il periodo analizzato e le variazioni di potenza fotovoltaica calcolate simulando il passaggio delle nuvole, sono stati introdotti due nuovi metodi di calcolo della spinning reserve, basati sulle osservazioni effettuate. Il risultato ottenuto combinando l’applicazione dei due nuovi metodi e l’implementazione di un modello di ottimizzazione dei flussi di potenza, può essere interpretato come miglioramento sia in termini di gestione dei flussi di potenza della mini-rete, in particolare per il funzionamento del sistema di batterie, sia come riduzione dei costi operativi.