Storage size for PV power ramp rate control

Makibar Puente, Aitor (2017). Storage size for PV power ramp rate control. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47190.

Descripción

Título: Storage size for PV power ramp rate control
Autor/es:
  • Makibar Puente, Aitor
Director/es:
  • Narvarte Fernández, Luis
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Departamento: Ingeniería Telemática y Electrónica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Durante los próximos años, se espera integrar una gran cuota de energía fotovoltaica (FV) en redes eléctricas de todo el mundo, gracias al incremento de su competitividad frente a fuentes de energía convencionales. Para alcanzar una integración de FV a gran escala, los problemas de estabilidad y calidad de suministro deben evitarse y su papel en la red tiene que evolucionar hasta convertirse en un agente activo. En concreto, las fluctuaciones de potencia FV causadas por nubes están llamando la atención de operadores de redes con alta tasa de penetración de energías renovables, llevándoles a imponer limitaciones de rampas de potencia. Dichas fluctuaciones se mitigan acoplando sistemas de almacenamiento de energía como baterías, pero todavía tienen un alto coste y su uso puede entorpecer la viabilidad de proyectos FV. En este contexto, el éxito de un proyecto radica en un correcto dimensionado de la batería y en la creación de estrategias y técnicas avanzadas para minimizar los requisitos de almacenamiento. Esta tesis aborda el dimensionado de sistemas de almacenamiento de energía aplicados a mitigar fluctuaciones de potencia de centrales FV para cumplir con una limitación de rampa prescrita. El estudio se basa en el hecho de que las fluctuaciones críticas apenas ocurren, por lo que los requisitos de potencia y capacidad de batería deben minimizarse equilibrando un grado de cumplimiento adecuado y un tamaño de batería práctico. Analiza los efectos de reducir el tamaño de una batería diseñada para absorber todas las fluctuaciones, teniendo en cuenta la ocurrencia de fluctuaciones y la penalización en caso de incumplimiento de rampas. Un análisis exhaustivo evalúa la relación entre la reducción del tamaño y el cumplimiento de rampas, obteniendo como resultado un modelo para predecir la probabilidad de incumplimientos con una batería reducida. Además, el análisis de reducción de tamaño se aplica a la normativa propuesta para Puerto Rico, implementando tres alternativas. El potencial para reducir el tamaño sin incurrir en penalizaciones es alto y sube más si parte de las fluctuaciones ascendentes se absorben limitando los inversores FV. Por lo tanto, se ha creado una estrategia de control avanzada para coordinar la limitación de inversores con una batería reducida, con el propósito de mejorar el índice de cumplimiento de rampas de la central FV. Posteriormente, la técnica de sobredimensionado del generador FV se ha estudiado como solución para mitigar parte de las fluctuaciones. Los resultados muestran que para un mismo tamaño de batería, una combinación adecuada de estas soluciones incrementa la producción FV anual, creando nuevas herramientas para seleccionar una batería de potencia y capacidad reducidas. Por último, la estrategia de control de batería reducida se ha implementado y validado en un laboratorio, abordando aspectos de precisión y de respuesta de control requeridos para implementar el método en una planta FV utility-scale. ABSTRACT During the next years, a large share of PV power is expected to be integrated in worldwide electricity grids by virtue of the increase of its competitiveness against conventional energy sources earlier than expected. In order to achieve a large-scale integration of PV, grid-stability and power quality problems must be avoided, whereas the role of PV power in the grid must be shifted to becoming an active agent. In particular, short-term PV power fluctuations caused by clouds are raising the attention of operators of grids with high renewable energy penetration rates, leading them to impose ramp rate limitations. Such fluctuations are mitigated coupling modern energy storage systems such as batteries, but these devices still have a high cost and their use may hinder the feasibility of PV projects. In this context, the success of a project lies in the correct sizing of the battery and in creating advanced strategies and techniques to minimise the storage requirements. This thesis addresses the sizing of energy storage systems used for mitigating short-term power fluctuations of PV plants to comply with a prescribed ramp rate limitation. The study is based on the fact that strong fluctuations scarcely occur, so battery power and capacity requirements must be minimised according to a trade-off between an adequate grade of compliance and a practical battery size. It analyses the effects of reducing the size of a battery designed to absorb every fluctuation by taking into consideration, both, the fluctuation occurrence and the penalties in case of non-compliance of the ramp-rate limitation. A deep analysis assesses the relation between size reduction and ramp rate compliance, obtaining as result a model for predicting the probability of non-compliances with a reduced battery. Additionally, the size reduction analysis is applied to the particular grid code currently proposed for Puerto Rico, implementing three alternatives. The potential for reducing the size without falling into penalties is high, but it increases if part of the fluctuations can be absorbed by limiting PV inverters during upwards fluctuations. Therefore, an advanced control strategy has been created to team up PV inverter limitations with a reduced battery in order to improve the ramp rate compliance of the plant. Besides, PV array oversizing technique is studied as an alternative to mitigate part of the fluctuations. The results show that for the same storage size, a proper combination of these solutions increases the yearly PV production, creating new tools for selecting a battery with reduced power and energy capacity. Finally, the reduced size battery control strategy is implemented and validated in a laboratory, addressing the accuracy and control response required for implementing the method in a utility-scale PV plant.

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ID de Registro: 47190
Identificador DC: http://oa.upm.es/47190/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47190
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47190
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 12 Jul 2017 06:51
Ultima Modificación: 13 Jul 2017 11:29
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