Energy management for integration of alternative sources and composite storage system connected to the grid

Esta tese de doutorado visa o estudo e o desenvolvimento de topologias e técnicas de controle para a integração de fontes alternativas tais como, solar e eólica acopladas a um barramento comum em corrente continua (CC) e conectá-las à rede de distribuição. O sistema contará também com elementos armazenadores como bancos de baterias e ultracapacitores, formando assim uma estrutura híbrida de armazenamento. Algoritmos de gerenciamento de energia serão implementados para que o perfil de injeção de potência na rede seja suave, eliminando as oscilações que são criadas, naturalmente, por fontes dependentes de fatores climáticos. Como consequência, os sistemas formados por fontes alternativas podem se tornar confiáveis e previsíveis, melhorando a capacidade de planejamento em um cenário cujos sistemas apresentem uma participação elevada na matriz energética. Duas metodologias de gerenciamento de energia são executadas neste trabalho, na primeira o ultracapacitor é gerenciado de modo a permitir a transferência de potência constante para a rede de distribuição em intervalos da ordem de minutos. A segunda estratégia se baseia no uso de banco de baterias combinado com ultracapacitores, formando uma estrutura híbrida de armazenamento. Nessa estrutura de gerenciamento, os armazenadores se comunicam entre si de forma a realizar um compartilhamento e filtragem de energia, fazendo com que transitórios de potência não sejam transmitidos para a rede de distribuição. Nesta estratégia, as baterias são responsáveis pelo fornecimento/absorção da potência média enquanto os ultracapacitores se encarregam dos transitórios. No segundo instante outras duas metodologias de divisão de carga são propostas para microrredes híbridas, contudo são baseadas em estratégias descentralizadas, ou seja, os armazenadores não se comunicam entre si para realizar o compartilhamento. Resultados experimentais e simulações irão comprovar a efetividade das metodologias de gerenciamento propostas.This Ph.D. dissertation aims the study and development of topologies and control techniques to integrate various alternative sources such as solar and wind, coupled to a direct current (DC) common bus and connect them to the distribution grid. Storage devices such as battery banks and ultracapacitors will form a hybrid storage structure that is responsible for the power supplying in periods in which the sources are unable (times of the day in which the light incidence is low or when the wind amount is scarce). Power management algorithms will be implemented so the alternative sources and storage devices exchange energy, in order to make smoother the power injection profile in the grid, eliminating the fluctuations that are created naturally by alternative sources. With a smooth power profile, energy management systems based on alternative sources may become more reliable and predictable, improving planning capacity in a scenario in which the renewable energy sources have a high penetration in the energy matrix. To obtain such a result, two power management methodologies are executed; the first one is based on ultracapacitors and aims to deliver constant power to the distribution network, even when the power production is zero. However, this technique allows constant power just for a few minutes, once the ultracapacitor capacity is limited. The second strategy is based on the bank of batteries combined with ultracapacitors, forming the hybrid storage system. In this management structure, the storage devices communicate with each other in order to perform a power sharing, resulting in a filtrated power profile delivered to the distribution network. In this strategy, the batteries are responsible to providing average power while ultracapacitors are in-charge of the transient power, sparing the batteries from supplying power peaks. In a second moment, two other load sharing methodologies are proposed for hybrid systems, but are based on decentralized techniques, i.e. storage devices do not communicate with each other to make the power sharing. Experimental and simulated results will prove the effectiveness of the control strategies and management methodologies