Highly renewable energy integrated grid analysis and islanded microgrid balancing by battery energy storage system

On 11 March 2011, when the 9.0-magnitude earthquake struck off the northeast coast of Japan and triggered one of the deadliest tsunamis the world has ever seen. Sendai was most affected coastal area. Tohoku Fukushi University is in Sendai area. This university, had experimental microgrid project and it fed by fuel cells, photovoltaic, and natural gas micro-turbines [3]. Microgrid was connected to critical loads of university and nearby hospital. There was no power supply from external grid for 02 days and microgrid was providing continuous power to hospital for these 02 days. Europe has ambitious plans on renewable energy production. Europe aiming 20% energy consumption from renewable energy sources by 2020. This high penetration of renewable sources becoming challenging task to maintain grid stability and power quality. In order to improve grid stability it is not required to install additional compensators or increase in reserve power. In fact, with the help of microgrid it is possible to improve power system stability and power quality. When microgrid will be connected to external grid, this will be not only improve in voltage profile of LV network but also of MV network. Increase in generation near to load can reduce transmission losses and will help to make system more decentralized. Microgrid can be used to improve dynamic stability of power grid. Micro generations are becoming more and more feasible because of evolution in power electronics technology. This micro-generation comprises the photovoltaic, wind turbine, gas turbine, biomass, diesel generators, etc. A microgrid is a small-scale power grid that can operate independently or collaboratively with another small power grid. Microgrid contains renewable and nonrenewable energy sources. Because of the sudden change in climate conditions or electrical load power system faces voltage and frequency violation, a consequence power quality issues (related to voltage and frequency) may arise. Italy has power margin/reserve of 7% to 33% of available capacity. Transmission System Operator (TSO, for Italy TERNA) need to keep hydropower plants or other generation sources on standby for supplying sudden increase in demand. If response is too slow, supply frequency will fall below the limit. If microgrid is installed on MV grid, response of microgrid for dynamic cases will be 100 times faster than hydropower plant or any other conventional power plant. After connecting microgrid to the main grid, TSO’s can reduce spinning reserve. This will help to reduce required margin and will result in improved grid balancing. It will reduce economic burden on generation companies in the form of spinning reserve, improve dynamic response of system, reduce transmission & distribution losses and customers get nearly zero interruptions in power supply with improved power quality. This system presents win-win situation from techno-economical prospective for both TSO-DSO and Consumers. This thesis focuses on microgrid dynamics and mathematical expressions for change in active power to be injected or consumed by the grid in order to compensate changes. Increase in battery energy storage connected to the microgrid helps to decrease the system inertia and will get faster response. At the end, the bidirectional grid-connected inverter along with improved communication topology has been discussed. There are two main contributions in this thesis. 1) Effects of microgrid on the LV and MV grid has been analyzed 2) System inertia of islanded microgrid can change with connection or disconnection of loads because of smaller size of the power system. To calculate the dynamic system inertia of microgrid mathematical expressions for it has been derived. Therefore, by knowing the dynamic system frequency balancing can be performed more accurately.

L'11 marzo 2011, quando il terremoto di magnitudo 9,0 ha colpito la costa nord-orientale del Giappone e ha provocato uno degli tsunami più mortali che il mondo abbia mai visto. Sendai era la zona costiera più colpita. Tohoku Fukushi University è nella zona di Sendai. Questa università, aveva un progetto sperimentale di microgrid ed era alimentata da celle a combustibile, micro-turbine fotovoltaiche e a gas naturale [3]. Microgrid era collegata a carichi critici dell'università e dell'ospedale vicino. Non è stata fornita alimentazione dalla rete esterna per 02 giorni e la microgrid ha fornito energia continua all'ospedale per questi 02 giorni. L'Europa ha piani ambiziosi sulla produzione di energia rinnovabile. L'Europa punta al 20% del consumo di energia da fonti energetiche rinnovabili entro il 2020. Questa elevata penetrazione di fonti rinnovabili sta diventando un compito impegnativo per mantenere la stabilità della rete e la qualità dell'energia. Al fine di migliorare la stabilità della rete non è necessario installare compensatori aggiuntivi o aumentare la potenza di riserva. In effetti, con l'aiuto della microgrid è possibile migliorare la stabilità del sistema di alimentazione e la qualità dell'alimentazione. Quando la microgrid sarà collegata alla rete esterna, questo non migliorerà solo il profilo di tensione della rete BT ma anche della rete MT. L'aumento della generazione vicino al carico può ridurre le perdite di trasmissione e contribuire a rendere il sistema più decentralizzato. Microgrid può essere utilizzato per migliorare la stabilità dinamica della rete elettrica. Le micro generazioni stanno diventando sempre più possibili a causa dell'evoluzione della tecnologia dell'elettronica di potenza. Questa micro-generazione comprende il fotovoltaico, la turbina eolica, la turbina a gas, la biomassa, i generatori diesel, ecc. Una microgriglia è una rete elettrica su piccola scala che può funzionare in modo indipendente o collaborativo con un'altra piccola rete elettrica. Microgrid contiene fonti di energia rinnovabili e non rinnovabili. A causa dell'improvviso cambiamento delle condizioni climatiche o del sistema di alimentazione del carico elettrico è soggetto a violazioni di tensione e frequenza, possono insorgere problemi di qualità dell'alimentazione (correlati a tensione e frequenza). L'Italia ha un margine / riserva di potere dal 7% al 33% della capacità disponibile. Il gestore del sistema di trasmissione (TSO, per l'Italia TERNA) deve mantenere in standby le centrali idroelettriche o altre fonti di generazione per fornire un aumento improvviso della domanda. Se la risposta è troppo lenta, la frequenza di alimentazione scenderà al di sotto del limite. Se la microgrid è installata sulla rete MT, la risposta della microgrid per i casi dinamici sarà 100 volte più veloce della centrale idroelettrica o di qualsiasi altra centrale convenzionale. Dopo aver collegato la microgriglia alla griglia principale, i TSO possono ridurre la riserva di rotazione. Ciò contribuirà a ridurre il margine richiesto e comporterà un migliore bilanciamento della griglia. Ridurrà l'onere economico per le società di generazione sotto forma di riserva di rotazione, migliorerà la risposta dinamica del sistema, ridurrà le perdite di trasmissione e distribuzione e i clienti avranno quasi zero interruzioni dell'alimentazione con una migliore qualità dell'energia. Questo sistema presenta una situazione win-win dal punto di vista tecno-economico sia per TSO-DSO che per i consumatori. Questa tesi si concentra sulla dinamica delle microgrid e sulle espressioni matematiche per il cambiamento nella potenza attiva da iniettare o consumare dalla griglia al fine di compensare i cambiamenti. L'aumento della conservazione dell'energia della batteria collegata alla microrete aiuta a ridurre l'inerzia del sistema e otterrà una risposta più rapida. Alla fine, è stato discusso l'inverter bidirezionale collegato alla rete con una topologia di comunicazione migliorata. Ci sono due contributi principali in questa tesi. 1) Sono stati analizzati gli effetti della microgrid sulla rete LV e MV 2) L'inerzia del sistema della microgrid ad isola può cambiare con la connessione o la disconnessione dei carichi a causa delle dimensioni più ridotte del sistema di alimentazione. Per calcolare l'inerzia del sistema dinamico di espressioni matematiche di microgrid è stato derivato. Pertanto, conoscendo il bilanciamento dinamico della frequenza del sistema può essere eseguito in modo più accurato.