Development of a methodology to optimize the integration of photovoltaic plants coupled with energy storage systems in advanced electrical grids

Abstract

[ES] La integración de las tecnologías de energía renovable es un gran componente para alcanzar los serios objetivos medioambientales de diferentes gobiernos e instituciones a nivel mundial. Sin embargo, hay varios desafíos a lo largo de su camino para seguir aumentando en capacidad. La mayor penetración de estas tecnologías surge la necesidad de que proporcionen la misma fiabilidad y servicios que los generadores convencionales han hecho en la red eléctrica. El almacenamiento de energía proporciona una de las soluciones. La propuesta del trabajo fin de master era desarrollar una metodología que permita modelar y simular sistemas de almacenamiento de energía acoplado a campos fotovoltaicos, para optimizar su integración en las redes eléctricas. La metodología puede modelar cualquier ubicación y cualquier condición que requiera un proyecto de este tipo y calcular su dimensionamiento óptimo. Los parámetros que se puede variar son los siguientes: potencia, ratio DC/AC, ubicación, precios de la electricidad, mecanismos de fijación de precios de tarifas (existentes y propuestos), y finalmente costes de capital. En este modelo, además, se propuso una nueva configuración para beneficiarse de los excesos fotovoltaicos producidos a partir de un campo fotovoltaico sobredimensionado, mediante la conexión del sistema de baterías a un convertidor DC/DC de relativamente alta potencia. Se analizó diferentes casos de estudio, con el fin de mostrar como este tipo de sistema puede ayudar a reemplazar los generadores convencionales y asegurar la fiabilidad y calidad de la red eléctrica. Los casos que se estudia son: (i.) almacenamiento de excesos por “clipping”, (ii.) power-shifting, (iii.) regulación primaria y secundaria, y (iv.) acoplamiento de respuesta de demanda mediante vehículos eléctricos.

[CA] La integració de les tecnologies d'energia renovable és un gran component per a aconseguir els seriosos objectius mediambientals de diferents governs i institucions a nivell mundial. No obstant això, hi ha diversos desafiaments al llarg del seu camí per a continuar augmentant en capacitat. La major penetració d'estes tecnologies sorgix la necessitat que proporcionen la mateixa fiabilitat i servicis que els generadors convencionals han fet en la xarxa elèctrica. L'emmagatzemament d'energia proporciona una de les solucions. La proposta del treball fi de màster era desenrotllar una metodologia que permeta modelar i simular sistemes d'emmagatzemament d'energia acoblat a camps fotovoltaics, per a optimitzar la seua integració en les xarxes elèctriques. La metodologia pot modelar qualsevol ubicació i qualsevol condició que requerisca un projecte d'este tipus i calcular el seu dimensionamiento òptim. Els paràmetres que es pot variar són els següents: potència, ràtio DC/AC, ubicació, preus de l'electricitat, mecanismes de fixació de preus de tarifes (existents i proposats) , i finalment costos de capital. En este model, a més, es va proposar una nova configuració per a beneficiar-se dels excessos fotovoltaics produïts a partir d'un camp fotovoltaic sobredimensionat, per mitjà de la connexió del sistema de bateries a un convertidor DC/DC de relativament alta potència. Es va analitzar diferents casos d'estudi, a fi de mostrar com este tipus de sistema pot ajudar a reemplaçar els generadors convencionals i assegurar la fiabilitat i qualitat de la xarxa elèctrica. Els casos que s'estudia són: (i.) emmagatzemament d'excessos per “clipping”, (ii.) power- shifting, (iii.) regulació primària i secundària, i (iv.) adaptament de resposta de demanda per mitjà de vehicles elèctrics.

[EN] The integration of renewable energy technologies is an important component to achieve the serious environmental objectives of different governments and institutions worldwide. However, there are several challenges along the way to continue increasing in capacity. The greater penetration of these technologies arises the need to provide the same reliability and services that conventional generators have made in the electricity grid. Energy storage provides one of the solutions. The purpose of the master's project was to develop a methodology that allows modeling and simulating energy storage systems coupled to photovoltaic fields, to optimize their integration in electricity networks. The methodology can model any location and any condition that a project of this type requires and calculate its optimal sizing. The parameters that can be varied are the following: power, DC / AC ratio, location, electricity prices, tariff pricing mechanisms (existing and proposed), and finally capital costs. In this model, in addition, a new configuration was proposed to benefit from the photovoltaic excesses produced from an oversized photovoltaic field, by connecting the battery system to a DC/DC converter of relatively high power. Different cases studies were analyzed, in order to show how this type of system can help to replace conventional generators and ensure the reliability and quality of the electrical network. The cases studies were: (i.) Storage of excesses by "clipping", (ii.) Power-shifting, (iii.) Primary and secondary regulation, and (iv.) Demand response coupling by electric vehicles.