Hybrid energy storage systems via power electronic converters

Abstract

In recent years, many research lines have focused their efforts on improving energy efficiency and developing renewable energy sources. In this context, the use of energy storage systems is on the rise, as they can contribute to the integration of renewables to the main electrical grid. However, energy storage systems are divided into high energy or high power devices. Due to the lack of a solution covering both aspects, researchers are forced to find alternatives. The hybridization of different energy storage technologies is presented as a suitable solution for this problem, since it combines high power and high energy within the same system. The main goal of this thesis is the design and implementation of a hybrid energy storage system (HESS), capable of improving the performance provided by a single storage technology. As a first step in this direction, this document reviews and classifies the most relevant HESS topologies found in the literature. This allows a better understanding of the drawbacks and benefits of each configuration. To ensure the optimal use of this HESS, it is essential to design a suitable energy management strategy and a proper power electronic converter control. To this end, the control structure has been analyzed from different approaches. On the one hand there would be the classic multilevel control structure, which usually consists of three levels among which are the operating constraints, the power sharing and at the lowest level the control of the converter. On the other hand there would be the single level control structure in which both, the power distribution and the control of the converter, are integrated within the same level by using modern MPC control algorithms. Finally, three different case studies are presented to show the practical application of the developed control strategies together with the main conclusions of the thesis.

Azken urteetan, ikerketa-lerro askok eraginkortasun energetikoa hobetzeko eta energia berriztagarriak garatzeko ahaleginak egin dituzte. Testuinguru honetan, energia metatze sistemen erabilera geroz eta handiagoa da, berriztagarrien integrazioa sare elektrikoarekin erraztu dezaketelako. Hala ere, energia altuko edo potentzia altuko metatze sistemak bakarrik aukeratu daitezke. Horregatik, ikertzaileek alternatiba berriak bilatzera behartuta daude. Energia metatze sistema desberdinen hibridazioa, arazo horri irtenbidea ematen dio. Honekin, potentzia eta energia maila altuak sistema bakar batetan batu daitezke. Tesi honen helburu nagusia, energia metatze sistema hibrido (HESS sigla, ingelesetik Hybrid Energy Storage System) bat diseinatzea eta inplementatzea da. Sistema honek, teknologia bakar batek eskaintzen duen errendimendua hobetzeko gai izan beharko luke. Lehen urratsa bezala, dokumentu honek literaturan aurkitutako topologia hibrido garrantzitsuenak laburbildu eta batzen ditu. Honi esker, konfigurazio bakoitzaren abantaila eta desabantailak hobeto ulertzea ahal da. HESS honen erabilera optimoa bermatzeko, ezinbestekoa da energia kudeatzeko estrategia on bat diseinatzea bihurgailu elektronikoaren kontrol egokiarekin batera. Horretarako, kontrol egitura ikuspegi desberdinetatik aztertuko da. Alde batetik, maila anitzeko kontrol egitura klasikoa egongo litzateke, normalean hiru mailaz osatua dagoena. Goi mailan funtzionamendu eta segurtasun mugak egongo lirateke, erdiko mailan potentzia banaketa, eta azkenik bihurgailuaren maila baxuko kontrola. Bestalde, maila bakarreko kontrol egitura egongo litzateke non mugak, potentzia banaketa eta bihurgailuaren kontrola maila berean integratzen dira kontrol iragarleko algoritmoen bidez (MPC). Azkenik, hiru kasu desberdin aurkezten dira garatutako kontrolen aplikazio praktikoa erakusteko tesiaren ondorio nagusiekin batera.

En los últimos años, numerosas líneas de investigación han centrado sus esfuerzos en mejorar la eficiencia energética junto con el desarrollo de fuentes de generación renovables. En este contexto, el uso de sistemas de almacenamiento de energía está al alza, ya que estos pueden contribuir a la integración de las renovables en la red eléctrica convencional. Sin embargo, la necesidad de elegir entre dispositivos de alta energía o alta potencia, obliga a los investigadores a buscar otras alternativas. La hibridación de diferentes sistemas de almacenamiento se presenta como una solución apropiada para este problema, ya que combina alta energía y alta potencia dentro de un mismo sistema. El objetivo principal de esta tesis es el diseño e implementación de un sistema híbrido de almacenamiento de energía (sigla HESS, del inglés Hybrid Energy Storage System), capaz de mejorar las prestaciones que proporcionaría el uso de una única tecnología. Como primer paso en esta dirección, en este documento resume y clasifica las topologías de hibridación más relevantes encontradas en la literatura. Esto permite una mejor comprensión de los beneficios e inconvenientes de cada configuración. Para garantizar el uso óptimo de dicho HESS, es esencial diseñar una estrategia adecuada de gestión de energía junto con un control óptimo del convertidor electrónico de potencia. Para lograr este fin, la estructura de control ha sido analizada desde diferentes enfoques. Por un lado se encontraría la estructura de control multinivel clásica, la cual generalmente consta de tres niveles. En el nivel más alto se encontrarían las restricciones operativas y de seguridad, en el intermedio se encontraría la división de potencia, y por último el control de nivel bajo del convertidor. Por otro lado, se encontraría la estructura de control de un único nivel, en la que tanto las restricciones, el reparto de potencia y el control del convertidor se integran dentro del mismo nivel mediante algoritmos de control predictivo (MPC). Finalmente, se presentan tres casos de estudio para mostrar la aplicación práctica de las estrategias de control desarrolladas junto con las principales conclusiones de la tesis.