Microgrid Control: The impact of different control strategies on the system adequacy
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2778242Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2412]
Sammendrag
Verden står ovenfor en kontinuerlig økende etterspørsel etter energi, samtidig som klimaendringene krever betydelige kutt i klimagassutslipp. Innbyggerne i Norge forventer nå konstant tilgang til strøm, og ettersom global oppvarming truer, skal den helst være generert av fornybare kilder. For å imøtekomme dette ønsket undersøker TrønderEnergi for tiden muligheten for å installere autonome mikronett bestående av fornybare energikilder og energilagringsenehter på fjerntliggende områder med begrenset tilgang til oppkobling på kraftnettet.
I samarbeid med det EU-finansierte REMOTE-prosjektet har TrønderEnergi etablert et pilotprosjekt på Rye i Trøndelag. Her er det satt opp en 225 kW vindturbin og et 86.4 kWp PV-system som skal forsyne gården Langørgen Øvre med energi. Energikildene er avhengig av værforhold og har dermed varierende produksjon. For å balansere ut energien i mikronettet er det derfor installert et 554 kWh stort batterilagringssystem og et hydrogenlagringsystem på 1.67 MWh. Prosjektet har et mål om 98% tilgjengelighet i mikronettet, og i tillegg til de fornybare kildene og lagringsenehetene er det nettet utstyrt med en bakcup-dieselgenerator.
Videre er det blitt implementer en master-slave-kontrollstrategi i nettet. Her vil batteriet fungere som "master" i systemet og være hovedansvarlig for å opprettholde riktig frekvens- og spenningsnivå. I tillegg vil en "master controller" ha hovedansvaret for energibalansen i systemt og administere de andre enhetene i nettet slik at denne blir opprettholdt.
Målet med denne masteroppgaven er å undersøke hvordan bruken av ulike kontrollstartegier påvirker påliteligheten til mikronettet på Rye. Ved hjelp av både en analytisk medtode og Monte Carlo simuleringer skal pålitelighetsindeksene LOLP, LOLE og EENS regnes ut for hver av kontrollstrategiene. Resulatene vil så gi gurnnlaget for en sammlinkning av påliteligheten til de forskjellige casene.
Følgende kontrollstrategier ble undersøkt:• Case 1 - Kontrollstrategien allerede implementert på Rye. En master-slave-kontrollstrategi med batteriet som masterenhet.• Case 2 - En master-slave-kontrollstrategi med batteriet som masterenhet og løsninger for fleksibel last tilgjengelig.• Case 3 - En master-slave-kontrollstrategi med både batteriet og hydrogensystemet som master-enheter.• Case 4 - En peer-to-peer kontrollstrategi.
For hver av de fire casene ble mikronettets drift og ytelse modellert i MATLAB. Både forbruksdata fra gården og produksjonsdata fra de fornybare kildene ble brukt som input i modellene. For å øke tilgangen på historisk produksjonsdata ble også simuleringverktøyet RenewablesNinja benyttet. Dette verktøyet ga ytteligere datasett med produksjonsdata.
Basert på undersøkelselse gjort ble det funnet at alle de fire kontrollstrategiene sikret en tilgjengelighet på over 99%, noe som tilsvarer at alle nådde målet satt for REMOTE-prsjektet. Forskjellene mellom de utregnede pålitelighetsindeksene var derimot små, og det var vanskelig å finne ut hvilke av de fire kontrollstrategiene som førte til best pålitelighet. Case 4 skilte seg noe ut, da de beregnede indeksene var litt høyere for denne kontrollstrategiene, sammenlinket med de andre. Peer-to-peer-strategien har imidlertid den fordelen at inget kommunikasjonsystsem som går på tvers av enheter eller en "master controller" er nødvendig. Dette er en fordel, da feil i disse kan føre til utfall når en benytter seg av en master-slave-stategi. Denne fordelen ble ikke tatt med i beregningen av indeksene og det ble argumentert for at case 4 dermed hadde noe bedre pålitelighet enn det indeksene viste. I tillegg ble det funnet at case 3 så ut til å ha noe økt pålitelighet sammenliknet med de andre casene. Resultatene var imidlertid såpass utydelige at ingen klar konklusjon kunne trekkes.
Det ble dermed konkludert med at ingen av de fire kontrollstrategiene virket å sikre en bedre pålitelighet. Dette var basert på resultatete lagt frem i denne oppgaven. The world is facing a continuously growing energy demand at the same time as the climate changes demand a significant cut in greenhouse gas emissions. The inhabitants of Norway expect constant access to electricity, preferably generated by renewable power sources. To accommodate this TrønderEnergi is currently investigating the possibility of installing autonomous microgrid configurations containing renewable power sources and energy storage units at remote places with limited access to the utility grid.
In collaboration with the EU-funded REMOTE-project, TrønderEnergi has established a test site at Rye in Trøndelag. A 225 kW wind turbine and an 86.4 kWp PV-system has been installed to supply the farm Langørgen Øvre. These renewable resources have a fluctuating power production, and a 554 kWh battery energy storage system and a 1.67 MWh hydrogen energy storage system have been installed to ensure energy balance in the microgrid. Additionally, the grid is equipped with a backup diesel generator. The project has a goal of 98% availability.
Furthermore, a master-slave control strategy is implemented in the microgrid. The battery will serve as the master unit in the system, and the master controller ensures energy balance by administering the operation of the resources in the grid.
The objective of this thesis is to investigate the impact of different control strategies on the system adequacy of the microgrid. By utilising both an analytical method and Monte Carlo Simulations, the reliability indices LOLP, LOLE and EENS were calculated for each of the control strategies. The scores were thereby utilised to compare the adequacy performance of the cases.
The following list presents the control strategies used in the four cases: • Case 1 - The control strategy implemented at Rye. A master-slave control strategy with the BESS as master unit.• Case 2 - A master-slave control strategy with the BESS as master-unit and demand-side management available. • Case 3 - A master-slave control strategy with both the BESS and the HESS as master-units. • Case 4 - A peer-to-peer control strategy.
A MATLAB-model was developed for each of the cases, modelling the operation of the microgrid. Both consumption data from the farm and production data from the renewable sources were used as input when modelling. In addition, simulated production data from RenewablesNinja was used to expand the amount of historical production data.
Based on the adequacy assessments performed, it was found that all four control strategies ensured an availability above 99%, reaching the reliability goal of the REMOTE-project. Nevertheless, only minor distinctions of adequacy performance were detected. Case 4 stood out as the case with the most unsatisfactory results. The peer-to-peer strategy does, however, benefit from the fact that no inter-unit-communication system or master controller is needed. These advantages were not accounted for in the calculated indices, and a discussion of how this impacted the results was conducted. Further, slightly better performance of case 3 could be detected. The results did, however, vary in the different simulations performed, and no clear conclusion could be drawn.
Consequently, the results presented in this thesis were not definite enough to conclude on which of the control strategies that ensure the best adequacy performance at Rye.