Integration, control and optimization of the solar photovoltaic-battery system in microgrids

Abstract

This document composes the work realised and the research results developed within the scope of electric energy storage at the Renewable Energy Chair of the University of Évora. The current legal and technological framework of electrochemical energy storage technologies is reported, and its framework is demonstrated in the Portuguese and European contexts. Next, the experimental microgrid that comprises several electric energy storage technologies is described. The lithium-ion and vanadium redox flow technologies were tested and characterized for later validation of the electrical models that describe their performance. A state-of-the-art review allowed the experimentation of energy management strategies that fit the technologies studied, allowing smarter management in residential and services sectors. In this thesis, management algorithms, battery models, and an indication of technical, economic and energy parameters were combined in a tool to study the simulation of the operation of these technologies, allowing to define different operating objectives, fine-tune parameters and even join the operation of different technologies. This work was accompanied by national and international projects, attempting to respond to existing problems in the operation of real systems and gaps identified in the design phase, such as a robust dimensioning tool, with the integration of different battery managing methods; Integração, controlo e otimização do sistema solar fotovoltaico-bateria em microrredes Resumo: Este documento compõe o trabalho realizado e respetivos resultados da investigação desenvolvida no âmbito do armazenamento de energia elétrica na Cátedra Energias Renováveis da Universidade de Évora. Os atuais enquadramentos legais e tecnológicos das tecnologias eletroquímicas de armazenamento de energia são relatados, nos contextos português e europeu. Seguidamente, uma microrrede experimental que inclui diversas tecnologias de armazenamento de energia elétrica é descrita. As tecnologias de fluxo redox de vanádio e de iões de lítio foram objeto de ensaio e caracterização, para posterior validação dos correspondentes modelos que descrevem a sua performance elétrica. A revisão do estado da arte permitiu a experimentação de estratégias de gestão de energia que se adequam às tecnologias estudadas, que permitam a sua gestão inteligente, no contexto residencial e de serviços. Nesta tese, os algoritmos de gestão, os modelos das baterias, a indicação de parâmetros técnicos, económicos e energéticos foram combinados numa ferramenta para estudo da simulação da operação destas tecnologias permitindo definir diferente objetivos, afinar parâmetros e até operar conjuntamente diferentes tecnologias. Este trabalho foi acompanhado pelo paralelismo de projetos nacionais e internacionais, tentado dar resposta a problemas existentes na operação de sistemas reais, e lacunas identificadas na fase de projeto, tal como uma ferramenta de dimensionamento robusto, com a integração de diferentes formas de gerir baterias.