Assessment and optimization of wind energy integration into the power systems: application to the portuguese system

The increasing integration of wind energy in power systems can be responsible for the occurrence of over-generation, especially during the off-peak periods. This paper presents a dedicated methodology to identify and quantify the occurrence of this over-generation and to evaluate some of the solutions that can be adopted to mitigate this problem. The methodology is applied to the Portuguese power system, in which the wind energy is expected to represent more than 25% of the installed capacity in a near future. The results show that the pumped-hydro units will not provide enough energy storage capacity and, therefore, wind curtailments are expected to occur in the Portuguese system. Additional energy storage devices can be implemented to offset the wind energy curtailments. However, the investment analysis performed show that they are not economically viable, due to the present high capital costs involved.

Voltage regulation in renewable energy integration into the distribution network

Large-scale renewable energy (RE) integration into the distribution network (DN) causes uncertainties due to its intermittent nature and is a challenging task today. In general RE sources are mostly connected near the end user level, i.e., in the low voltage distribution network. RE integration introduces bi-directional power flows across distribution transformer (DT) and hence DN experiences with several potential problems that includes voltage fluctuations, reactive power compensation and poor power factor in the DN. This study identifies the potential effects causes due to large-scale integration of RE into the Berserker Street Feeder, Frenchville Substation under Rockhampton DN. From the model analyses, it has clearly evident that voltage of the Berserker Street Feeder fluctuates with the increased integration of RE and causes uncertainties in the feeder as well as the DN.

Influences of wind energy integration into the distribution network

Wind energy is one of the most promising renewable energy sources due to its availability and climate-friendly attributes. Large-scale integration of wind energy sources creates potential technical challenges due to the intermittent nature that needs to be investigated and mitigated as part of developing a sustainable power system for the future. Therefore, this study developed simulation models to investigate the potential challenges, in particular voltage fluctuations, zone substation, and distribution transformer loading, power flow characteristics, and harmonic emissions with the integration of wind energy into both the high voltage (HV) and low voltage (LV) distribution network (DN). From model analysis, it has been clearly indicated that influences of these problems increase with the increased integration of wind energy into both the high voltage and low voltage distribution network, however, the level of adverse impacts is higher in the LV DN compared to the HV DN.

Renewable energy integration : challenges and solutions

This book presents different aspects of renewable energy integration, from the latest developments in renewable energy technologies to the currently growing smart grids. The importance of different renewable energy sources is discussed, in order to identify the advantages and challenges for each technology. The rules of connecting the renewable energy sources have also been covered along with practical examples. Since solar and wind energy are the most popular forms of renewable energy sources, this book provides the challenges of integrating these renewable generators along with some innovative solutions. As the complexity of power system operation has been raised due to the renewable energy integration, this book also includes some analysis to investigate the characteristics of power systems in a smarter way. This book is intended for those working in the area of renewable energy integration in distribution networks.

Coordinated Operation of PV and Battery Energy Storage Systems

Despite tough economic times, the uptake of photovoltaic (PV) technology has seen tremendous growth over the past decade. More than 21 GW of rooftop PV systems were installed globally in the year 2012 alone. This is fueled by various incentives offered by policy makers around the world with a goal of enhancing renewable energy integration and reducing the dependence on fossil fuels. For instance, the goal of achieving 20% energy consumption from renewable resources by 2020 has been unanimously accepted by numerous countries in Europe, North America, and Australia. Uptake of PVs by residential and small businesses has been augmented by generous rebates offered by government on installations and on the amount of energy injected into the grid. Furthermore, the global market outlook report published by EPIA predicts that the rooftop PV installations will continue to grow for the foreseeable future.

Smart electricity networks based on large integration of renewable sources and distributed generation

Das Grünbuch 2006 der Europäischen Kommission "Eine Europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie" unterstreicht, dass Europa in ein neues Energie-Zeitalter eingetreten ist. Die vorrangigen Ziele europäischer Energiepolitik müssen Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit sein, wobei sie eine zusammenhängende und logische Menge von Taktiken und Maßnahmen benötigt, um diese Ziele zu erreichen. Die Strommärkte und Verbundnetze Europas bilden das Kernstück unseres Energiesystems und müssen sich weiterentwickeln, um den neuen Anforderungen zu entsprechen. Die europäischen Stromnetze haben die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Stromproduzenten und Verbrauchern mit großem Erfolg seit vielen Jahrzehnten gesichert. Die grundlegende Struktur dieser Netze ist entwickelt worden, um die Bedürfnisse großer, überwiegend auf Kohle aufgebauten Herstellungstechnologien zu befriedigen, die sich entfernt von den Verbraucherzentren befinden. Die Energieprobleme, denen Europa jetzt gegenübersteht, ändern die Stromerzeugungslandschaft in zwei Gesichtspunkten: die Notwendigkeit für saubere Kraftwerkstechnologien verbunden mit erheblich verbesserten Wirkungsgraden auf der Verbraucherseite wird es Kunden ermöglichen, mit den Netzen viel interaktiver zu arbeiten; andererseits müssen die zukünftigen europaweiten Stromnetze allen Verbrauchern eine höchst zuverlässige, preiswerte Energiezufuhr bereitstellen, wobei sowohl die Nutzung von großen zentralisierten Kraftwerken als auch kleineren lokalen Energiequellen überall in Europa ausgeschöpft werden müssen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die in dieser Arbeit dargestellt werden, auf aktuellen Fragen mit großem Einfluss auf die gegenwärtigen technischen und wirtschaftspolitischen Diskussionen basieren. Der Autor hat während der letzten Jahre viele der hier vorgestellten Schlussfolgerungen und Empfehlungen mit Vertretern der Kraftwerksindustrie, Betreibern von Stromnetzen und Versorgungsbetrieben, Forschungsgremien und den Regulierungsstellen diskutiert. Die folgenden Absätze fassen die Hauptergebnisse zusammen: Diese Arbeit definiert das neue Konzept, das auf mehr verbraucherorientierten Netzen basiert, und untersucht die Notwendigkeiten sowie die Vorteile und die Hindernisse für den Übergang auf ein mögliches neues Modell für Europa: die intelligenten Stromnetze basierend auf starker Integration erneuerbarer Quellen und lokalen Kleinkraftwerken. Das neue Modell wird als eine grundlegende Änderung dargestellt, die sich deutlich auf Netzentwurf und -steuerung auswirken wird. Sie fordert ein europäisches Stromnetz mit den folgenden Merkmalen: – Flexibel: es erfüllt die Bedürfnisse der Kunden, indem es auf Änderungen und neue Forderungen eingehen kann – Zugänglich: es gestattet den Verbindungszugang aller Netzbenutzer besonders für erneuerbare Energiequellen und lokale Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad sowie ohne oder mit niedrigen Kohlendioxidemissionen – Zuverlässig: es verbessert und garantiert die Sicherheit und Qualität der Versorgung mit den Forderungen des digitalen Zeitalters mit Reaktionsmöglichkeiten gegen Gefahren und Unsicherheiten – Wirtschaftlich: es garantiert höchste Wirtschaftlichkeit durch Innovation, effizientes Energiemanagement und liefert „gleiche Ausgangsbedingungen“ für Wettbewerb und Regulierung. Es beinhaltet die neuesten Technologien, um Erfolg zu gewährleisten, während es die Flexibilität behält, sich an weitere Entwicklungen anzupassen und fordert daher ein zuversichtliches Programm für Forschung, Entwicklung und Demonstration, das einen Kurs im Hinblick auf ein Stromversorgungsnetz entwirft, welches die Bedürfnisse der Zukunft Europas befriedigt: – Netztechnologien, die die Stromübertragung verbessern und Energieverluste verringern, werden die Effizienz der Versorgung erhöhen, während neue Leistungselektronik die Versorgungsqualität verbessern wird. Es wird ein Werkzeugkasten erprobter technischer Lösungen geschaffen werden, der schnell und wirtschaftlich eingesetzt werden kann, so dass bestehende Netze Stromeinleitungen von allen Energieressourcen aufnehmen können. – Fortschritte bei Simulationsprogrammen wird die Einführung innovativer Technologien in die praktische Anwendung zum Vorteil sowohl der Kunden als auch der Versorger stark unterstützen. Sie werden das erfolgreiche Anpassen neuer und alter Ausführungen der Netzkomponenten gewährleisten, um die Funktion von Automatisierungs- und Regelungsanordnungen zu garantieren. – Harmonisierung der ordnungspolitischen und kommerziellen Rahmen in Europa, um grenzüberschreitenden Handel von sowohl Energie als auch Netzdienstleistungen zu erleichtern; damit muss eine Vielzahl von Einsatzsituationen gewährleistet werden. Gemeinsame technische Normen und Protokolle müssen eingeführt werden, um offenen Zugang zu gewährleisten und den Einsatz der Ausrüstung eines jeden Herstellers zu ermöglichen. – Entwicklungen in Nachrichtentechnik, Mess- und Handelssystemen werden auf allen Ebenen neue Möglichkeiten eröffnen, auf Grund von Signalen des Marktes frühzeitig technische und kommerzielle Wirkungsgrade zu verbessern. Es wird Unternehmen ermöglichen, innovative Dienstvereinbarungen zu benutzen, um ihre Effizienz zu verbessern und ihre Angebote an Kunden zu vergrößern. Schließlich muss betont werden, dass für einen erfolgreichen Übergang zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem alle relevanten Beteiligten involviert werden müssen.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Experimental and simulation study of the impact of increased photovoltaic integration with the grid

The abundance, availability, and climate-friendly characteristics of solar photovoltaic (PV) energy encourage nations around the globe to adopt it to assist in overcoming global warming as well as build a sustainable society for the future. The intermittent nature of solar energy generation and the associated power electronic inverters with connected consumer loads creates a number of potential challenges in integrating large-scale PV into the grid that affects power quality of the distribution networks. This paper investigates the impacts of varying PV integration into the grid through experimental and simulation studies. Initially, several experiments were conducted with varying PV penetration and load conditions using the Renewable Energy Integration Facility at CSIRO, Newcastle, Australia. Later, a simulation model was developed that mimics the experimental facility used at CSIRO to investigate the adverse impacts on integrating large-scale PV into the grid using the power system simulation software PSS Sincal. Experimental and simulation analyses clearly indicate that integration of PV into the grid causes power quality issues such as voltage instability, harmonic injection, and low power factor into the networks and the level of these impacts increases with the increase of PV penetration. © 2014 AIP Publishing LLC.

Optimal coordination of G2V and V2G to support power grids with high penetration of renewable energy

Electric vehicles (EVs) have recently gained much popularity as a green alternative to fossil-fuel cars and a feasible solution to reduce air pollution in big cities. The use of EVs can also be extended as a demand response tool to support high penetration of renewable energy (RE) sources in future smart grid. Based on the certainty equivalent adaptive control (CECA) principle and a customer participation program, this paper presents a novel control strategy using optimization technique to coordinate not only the charging but also the discharging of EV batteries to deal with the intermittency in RE production. In addition, customer charging requirements and schedules are incorporated into the optimization algorithm to ensure customer satisfaction, and further improve the control performance. The merits of this scheme are its simplicity, efficiency, robustness and readiness for practical applications. The effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated by computer simulations of a power system with high level of wind energy integration.

Simultaneous synthesis of heat exchanger networks with pressure recovery: optimal integration between heat and work

The optimal integration between heat and work may significantly reduce the energy demand and consequently the process cost. This paper introduces a new mathematical model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs) in which the pressure levels of the process streams can be adjusted to enhance the heat integration. A superstructure is proposed for the HEN design with pressure recovery, developed via generalized disjunctive programming (GDP) and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation. The process conditions (stream temperature and pressure) must be optimized. Furthermore, the approach allows for coupling of the turbines and compressors and selection of the turbines and valves to minimize the total annualized cost, which consists of the operational and capital expenses. The model is tested for its applicability in three case studies, including a cryogenic application. The results indicate that the energy integration reduces the quantity of utilities required, thus decreasing the overall cost.

Out of Challenge, Opportunity: Central America's Electric Sector & Key Issues and Recommendations for Enhanced Regional Electric Integration

Taken together, the six nations of Central America count a population of roughly 40 million people and an energy market equal in size to that of Colombia, sufficient to benefit from economies of scale. The region has traditionally been a net importer of hydrocarbons, and hydroelectricity has dominated electric generation. But more recently, thermoelectric generation (diesel and fuel oil) has greatly increased as a percentage of the regional generation market. Progress has been made across the region’s electric sector, beginning with reforms in the 1990s and the 1996 signing of a regional treaty aimed at the development of a regional energy integration project – the Central American Electrical Interconnection System, or SIEPAC. A fundamental SIEPAC goal is to set up a regional electric market and a regulatory system. Indeed, after many years of development, SIEPAC is poised to open a new chapter in Central America’s electric infrastructure and market. But this new era must contend with critical issues such as the need to consolidate the regional electric market, political issues surrounding the venture, and security concerns. Moreover, local conflicts, in different degrees, have become priorities for policymakers, and these are possible barriers to completing the project. The goals of the SIEPAC project and of deepening the broader electric integration process are possible if national and regional decision makers understand that cooperative decision making will produce better results than separate national decision making. Enhanced regional understanding and cooperative decision making, combined with an effort to reorient the terminology and dialogue vis-à-vis energy efficiency in Central America, form the core recommendations of this paper.

An iterative analytical design framework for the optimal designing of an off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid

Creative ways of utilising renewable energy sources in electricity generation especially in remote areas and particularly in countries depending on imported energy, while increasing energy security and reducing cost of such isolated off-grid systems, is becoming an urgently needed necessity for the effective strategic planning of Energy Systems. The aim of this research project was to design and implement a new decision support framework for the optimal design of hybrid micro grids considering different types of different technologies, where the design objective is to minimize the total cost of the hybrid micro grid while at the same time satisfying the required electric demand. Results of a comprehensive literature review, of existing analytical, decision support tools and literature on HPS, has identified the gaps and the necessary conceptual parts of an analytical decision support framework. As a result this research proposes and reports an Iterative Analytical Design Framework (IADF) and its implementation for the optimal design of an Off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid (OGREH-SμG) with intra and inter-grid (μG2μG & μG2G) synchronization capabilities and a novel storage technique. The modelling design and simulations were based on simulations conducted using HOMER Energy and MatLab/SIMULINK, Energy Planning and Design software platforms. The design, experimental proof of concept, verification and simulation of a new storage concept incorporating Hydrogen Peroxide (H2O2) fuel cell is also reported. The implementation of the smart components consisting Raspberry Pi that is devised and programmed for the semi-smart energy management framework (a novel control strategy, including synchronization capabilities) of the OGREH-SμG are also detailed and reported. The hybrid μG was designed and implemented as a case study for the Bayir/Jordan area. This research has provided an alternative decision support tool to solve Renewable Energy Integration for the optimal number, type and size of components to configure the hybrid μG. In addition this research has formulated and reported a linear cost function to mathematically verify computer based simulations and fine tune the solutions in the iterative framework and concluded that such solutions converge to a correct optimal approximation when considering the properties of the problem. As a result of this investigation it has been demonstrated that, the implemented and reported OGREH-SμG design incorporates wind and sun powered generation complemented with batteries, two fuel cell units and a diesel generator is a unique approach to Utilizing indigenous renewable energy with a capability of being able to synchronize with other μ-grids is the most effective and optimal way of electrifying developing countries with fewer resources in a sustainable way, with minimum impact on the environment while also achieving reductions in GHG. The dissertation concludes with suggested extensions to this work in the future.

High penetration of rooftop photovoltaic cells in low voltage distribution networks : voltage imbalance and improvement

Installation of domestic rooftop photovoltaic cells (PVs) is increasing due to feed–in tariff and motivation driven by environmental concerns. Even though the increase in the PV installation is gradual, their locations and ratings are often random. Therefore, such single–phase bi–directional power flow caused by the residential customers can have adverse effect on the voltage imbalance of a three–phase distribution network. In this chapter, a voltage imbalance sensitivity analysis and stochastic evaluation are carried out based on the ratings and locations of single–phase grid–connected rooftop PVs in a residential low voltage distribution network. The stochastic evaluation, based on Monte Carlo method, predicts a failure index of non–standard voltage imbalance in the network in presence of PVs. Later, the application of series and parallel custom power devices are investigated to improve voltage imbalance problem in these feeders. In this regard, first, the effectiveness of these two custom power devices is demonstrated vis–à–vis the voltage imbalance reduction in feeders containing rooftop PVs. Their effectiveness is investigated from the installation location and rating points of view. Later, a Monte Carlo based stochastic analysis is utilized to investigate their efficacy for different uncertainties of load and PV rating and location in the network. This is followed by demonstrating the dynamic feasibility and stability issues of applying these devices in the network.