دانلود رایگان مقاله بررسی فن آوری های سیستم ذخیره انرژی در کاربردهای ریزشبکه

چکیده

             یک ریزشبکه (MG) یک نهاد محلی است که متشکل از منابع انرژی توزیع شده (DERs)برای دستیابی به قابلیت اطمینان توان محلی و استفاده از انرژی پایدار است. مفهوم ریزشبکه (MG) یا فن آوریهای انرژی تجدید پذیر در ترکیب با سیستمهای ذخیره انرژی (ESS)  علاقه و محبوبیت فزاینده‌ای را کسب کرده‌اند، به این دلیل که می‌تواند انرژی را در ساعات خارج از اوج ذخیره کند و در ساعات اوج انرژی را تأمین نماید. با این حال، فن آوری سیستمهای ذخیره انرژی (ESS)  موجود به دلیل مسائل مختلفی از قبیل شارژ / تخلیه، ایمنی، قابلیت اطمینان، اندازه، هزینه، چرخه عمر و مدیریت کلی با مشکلات مختلفی مواجه است. بنابراین، یک سیستم ذخیره انرژی (ESS)  پیشرفته با توجه به ظرفیت، محافظت، رابط کنترل، مدیریت انرژی و ویژگیهای آن برای بهبود عملکرد ESS در کاربردهای ریزشبکه لازم است. این مقاله، انواع فن آوریهای سیستم ذخیره انرژی (ESS)  ، ساختارهای سیستم ذخیره انرژی (ESS)  و همچنین پیکره بندی، طبقه بندی، ویژگیها، تبدیل انرژی و فرایند ارزیابی را به طور جامعی بررسی می‌کند. علاوه براین، جزئیات مربوط به مزایا و معایب سیستم ذخیره انرژی (ESS)  در کاربردهای ریزشبکه بر اساس فرایند تشكیل انرژی، انتخاب مواد، مکانیسم انتقال نیرو، ظرفیت، كارآیی و دوره چرخه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسی‌های موجود، فن آوریهای فعلی را برای ESS  در کاربردهای ریزشبکه (MG)  به طور انتقادی نشان می‌دهد. با این حال، مدیریت بهینه ESS ها برای عملکرد مؤثر ریزشبکه (MG)  همچنان به عنوان یک چالش در شبکه‌های سیستم قدرت مدرن باقی می‌ماند. این بررسی همچنین با توصیه‌های ممکن برای توسعه بیشتر ESS در برنامه‌های آتی ریزشبکه (MG)  ، بر عوامل کلیدی، مسائل و چالشها تاکید می‌کند. همه بینشهای مورد تاکید در این بررسی به طور قابل توجهی به تلاش روز افزون نسبت به توسعه یک مدل ESS مقرون به صرفه و کارآمد با یک چرخه عمر طولانی برای اجرای یک ریزشبکه (MG) پایدار کمک می‌کند. 

1. مقدمه

              رشد سریع مصرف انرژی،  انتشار CO2، و عدم تطابق تقاضا و عرضه در سطح جهان به دلیل افزایش نرخ رشد جمعیت و سطح شهرنشینی است (1). این موارد به منظور بهینه سازی مصرف انرژی و به حداقل رساندن مصرف سوخت و انتشار گازهای سمی، نیاز به توسعه دارند (2). گزینه‌های مختلفی برای استفاده از سوختهای فسیلی، برای دستیابی به سیستمهای انرژی پایدار مطرح شده‌اند (3)، (4). فن آوریهای انرژی تجدید پذیر (RE) با سیستمهای ذخیره انرژی(ESSs) در میان این گزینه‌ها به طور گسترده‌ای مورد تأیید قرار گرفته‌اند (5)-(7). سیستم ذخیره انرژی (ESS)  از جهات بسیاری به ادغام انرژیهای تجدید پذیر کمک می‌کند و تعادل منطقی قدرت را در طی بحران انرژی مدیریت می‌کند؛ و بنابراین، پایداری سیستم با ذخیره انرژی در طی ساعات اوج با کاهش قیمت، تأثیر قابل توجهی در سیستم کلی الکتریکی دارد (8)-(12). جزئیات مربوط به کاربردهای فن آوریهای ذخیره انرژی در (13)-(15) بررسی شده است. چرخه عمر ضعیف باتریها به عنوان مانع اصلی سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS)   شناسایی شده که از توسعه ریزشبکه ها (MG) ممانعت می‌کند. برای پرداختن به این محدودیت، بسیاری از محققان، سیستم‌های ذخیره سازی انرژی هیبریدی (HESSs) را توصیه کرده‌اند که هدف آنها بهبود عمر مورد انتظار باتری‌ها است (16). 

            مفهوم ریزشبکه (MG) توسط کنسرسیوم برق قابلیت اطمینان راه حلهای فن آوری (CERTS) مطرح شده است (12). CERTS را می‌توان به عنوان یک نهاد محلی تعریف کرد که از منابع انرژی توزیع شده (DERs) و بارهای حرارتی و برقی قابل کنترل تشکیل شده است. این بارها برای تولید برق با استفاده از پنلهای فتوولتائیک (PV)، نیروگاه‌های بادی، پیل سوختی ژنراتور دیزلی و ریزتوربینها، با یک دستگاه ذخیره سازی (به عنوان مثال ، باتری‌ها یا ابرخازنها (SC) به شبکه بالادست وصل شده‌اند (17). از دیدگاه مطلوبیت، ریزشبکه (MG) را می‌توان به عنوان یک پیل کنترل شده در سیستم قدرت در نظر گرفت. از دیدگاه مشتری، ریزشبکه (MG) را می‌توان برای برآورده کردن الزامات قابلیت اطمینان، کاهش اتلاف فیدر، بهبود راندمان ، به حداقل رساندن فروافتادگی ولتاژ یا منبع تغذیه مداوم طراحی کرد (18). 

              ریزشبکه (MG) با سیستم ذخیره انرژی (ESS)  به یک مؤلفه امیدوارکننده برای به کارگیری شبکه هوشمند آینده تبدیل شده است (19)-(21). با این حال، به دلیل ماهیت متناوب منابع انرژی تجدیدپذیر و نوسانات نمایه‌های بار، منبع تغذیه در ریزشبکه (MG) گاهی اوقات برای کاهش تقاضای بار با شکست مواجه می‌شود و باعث نوسانات فرکانس سیستم می‌شود (17)، (22). بنابراین نوسانات منابع انرژی تجدید پذیر باید با سیستمهای ذخیره سازی هموار شود تا کیفیت بالای توان را فراهم آورد (23)، (24).  

            ریزشبکه (MG) دارای ویژگیهای عملیاتی انعطاف پذیری در حالتهای متصل به شبکه و جزیره‌ای است و بنابراین می‌تواند راندمان و امنیت شبکه را بهبود بخشد (25) ، (26). در حالت متصل به شبکه، MGها می‌توانند با تبادل نیرو با شبکه اصلی، فرکانس سیستم را بطور پایدار حفظ کنند (27). با این حال، در حوزه‌های دوردست ، ریزشبکه ها (MG) به عنوان سیستم‌های خارج از شبکه طراحی می‌شوند (28) که در آن کنترل فرکانس اولیه بسیار مهم است (22). شکل 1 ساختار ریزشبکه (MG)  را نشان می‌دهد که در آن پانل‌های PV انرژی تولید می‌کنند و یک دستگاه ذخیره سازی انرژی باتری (BESS) میزان تقاضا را با عرضه انرژی متعادل می‌سازد (25). 

             ریزشبکه (MG) از طریق نقطه اتصال مشترک (PCC) به شبکه برق وصل می‌شود. با توجه به افزایش تاسیسات ریزشبکه (MG) ، سیستم‌های توزیع ویژگیهای قابل توجهی را در مقایسه با سیستم توزیع کنونی نشان می‌دهند. بنابراین، استراتژی‌های مناسب کنترل باید برای مدیریت این تفاوتها و بهبود کلی راندمان اتخاذ شوند (26).

             ملاحظات مهم زیادی برای سیستم ذخیره سازی انرژی در MG ها وجود دارد. مدیریت کارآمد ESS ، رابطهای الکترونیکی برق، شارژ و تخلیه، مکانیسم تبدیل نیرو، قابلیت اطمینان و محافظت در برابر خطر از مسائل مهم برای توسعه سیستم ذخیره انرژی در کاربردهای ریزشبکه (MG) است. شکل 2 تأثیر یک سیستم ذخیره انرژی را در یک شبکه سیستم قدرت توصیف می‌کند (15). 

            همانطور که در شکل 3 نشان داده شده (42)، ESS را می‌توان برای آربیتراژ انرژی (29)، اوج زدایی (30)، جریان بار (31)، رزرو چرخان (32)، پشتیبانی ولتاژ (33)، بلک استارت (33)، (34)، تنظیم فرکانس (24)، کیفیت توان (35)، (46)، قابلیت اطمینان توان (37)، تغییر سیستم‌های انرژی تجدید پذیر (RES)(38)، (39)، یکنواخت سازی و پایداری (39)، تعویق به روزرسانی انتقال و توزیع (40)، رفع ازدحام  (41) و سرویس خارج از شبکه (38)، (41) بکار برد. 

            انتخاب و مدیریت سیستمهای ذخیره انرژی و منابع انرژی بطور قابل توجهی ناهنجاریهای موجود در شبکه سیستم قدرت را کاهش می‌دهد. هدف از این بررسی، نشان دادن وضعیت کنونی سیستمهای ذخیره انرژی (ESS)  ، ارزیابی مسائل و موانع و ارائه توصیه‌های منتخب برای توسعه بیشتر با تمرکز بر مسائل محیطی و ایمنی می‌باشد. در این مطالعه در مورد دستگاههای مختلف ذخیره انرژی از جمله عملکردها و ویژگیهای آن‌ها برای استفاده کارآمد ریزشبکه (MG)  بحث می‌کند. بنابراین، سهم اصلی این تحقیق، تجزیه و تحلیل جامع در مورد انتخاب ESS های آینده برای دستیابی به توسعه پایدار ریزشبکه (MG) هاست. بنابراین، این بررسی اطلاعات قابل توجهی را برای اجرای سیستم ذخیره انرژی (ESS)  در کاربردهای ریزشبکه (MG) و بهبود فن آوری موجود ارائه می‌دهد. 

ABSTRACT

            A microgrid (MG) is a local entity that consists of distributed energy resources (DERs) to achieve local power reliability and sustainable energy utilization. The MG concept or renewable energy technologies integrated with energy storage systems (ESS) have gained increasing interest and popularity because it can store energy at off-peak hours and supply energy at peak hours. However, existing ESS technology faces challenges in storing energy due to various issues, such as charging/discharging, safety, reliability, size, cost, life cycle, and overall management. Thus, an advanced ESS is required with regard to capacity, protection, control interface, energy management, and characteristics to enhance the performance of ESS in MG applications. This paper comprehensively reviews the types of ESS technologies, ESS structures along with their configurations, classifications, features, energy conversion, and evaluation process. Moreover, details on the advantages and disadvantages of ESS in MG applications have been analyzed based on the process of energy formations, material selection, power transfer mechanism, capacity, efficiency, and cycle period. Existing reviews critically demonstrate the current technologies for ESS in MG applications. However, the optimum management of ESSs for efficient MG operation remains a challenge in modern power system networks. This review also highlights the key factors, issues, and challenges with possible recommendations for the further development of ESS in future MG applications. All the highlighted insights of this review significantly contribute to the increasing effort toward the development of a cost-effective and efficient ESS model with a prolonged life cycle for sustainable MG implementation.

I. INTRODUCTION

            The rapid growth of energy consumption, CO2 emissions, and demand-supply mismatch globally is due to the rising population growth rate and urbanization levels [1]. These issues require development to optimize energy use and minimize fuel consumption and toxic emissions [2]. Various alternatives to the use of fossil fuels have been proposed to achieve sustainable energy systems [3], [4]. Renewable energy (RE) technologies with energy storage systems (ESSs) have become widely endorsed solutions among these alternatives [5]–[7]. ESS assists renewable energy integration in many ways and manages the decent power balance during a power crisis; thus, the stability of the system has a significant effect on the overall electric system by storing energy during off-peak hours with reduced cost [8]–[12]. Details on the applications of energy storage technologies have been investigated in [13]–[15]. The poor life cycle of batteries has been identified as the key barrier of ESSs that impedes the development of the microgrid (MG). To address this limitation, many researchers have recommended hybrid energy storage systems (HESSs) that aim to improve the life expectancy of batteries [16].

            The MG concept is proposed by the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions (CERTS) [12]. CERTS can be defined as a localized entity that consists of distributed energy resources (DERs) and controllable thermal and electrical loads. These loads are connected to the upstream grid for power generation using photovoltaic (PV) panels, wind plants, fuel cells, diesel generators, and microturbines with a storage device (e.g., batteries or supercapacitors (SCs)) [17]. From the utility perspective, MG can be treated as a controlled cell of the power system. From the customer viewpoint, MG can be designed to meet their requirements of reliability, reduced feeder losses, improved efficiency, voltage sag minimization, or continuous power supply [18].

            MG with ESS has become a promising component for future smart grid deployment [19]–[21]. However, due to the intermittent nature of renewable energy resources and fluctuating load profiles, the power supply in MG sometimes fails to mitigate the load demands and causes system frequency fluctuation [17], [22]. Therefore, fluctuating renewable energy sources must be smoothed with storage systems to provide high-power quality [23], [24].

            MG has flexible operating characteristics in gridconnected and islanded modes and thus can improve grid efficiency and security [25], [26]. In the grid-connected mode of operation, MGs can maintain stable system frequency by exchanging power with a main grid [27]. However, in remote islands, MGs are designed as off-grid systems [28] where the primary frequency control is critical [22]. Fig. 1 illustrates the structure of MG, where PV panels provide energy and a battery energy storage device (BESS) balances the demand for and supply of energy [25].

         MG connects to the power grid through the point of common coupling (PCC). Given the increased MG installations, distribution systems pose significant changes in characteristics compared with the present distribution system. Therefore, suitable control strategies must be adopted to manage these differences and improve overall efficiency [26].

          Many important considerations exist for the energy storage system in MGs. Efficient management of ESS, power electronic interfaces, charging and discharging, conversion mechanism of power, reliability, and protection from dangers are the major issues for the development of the energy storage system in MG applications. Fig. 2 describes the impact of an energy storage system in a power system network [15].

            ESS can be applied for energy arbitrage [29], peak shaving [30], load flowing [31], spinning reserve [32], voltage support [33], black start [33], [34], frequency regulation [24], power quality [35], [36], power reliability [37], renewable energy systems (RESs) shifting [38], [39], smoothing and firming [39], transmission and distribution upgrade deferral [40], congestion relief [41], and off-grid service [38], [41], as shown in Fig. 3 [42].

          The selection and management of energy storage systems and energy resources significantly reduce the anomalies in a power system network. The objective of this review is to present the current status of ESSs, evaluate issues and barriers, and provide selected recommendations for further development by focusing on the environment and safety issues. This study discusses various existing energy storage devices, which include their operations and characteristics for efficient MG use. Thus, the key contribution of this study is the comprehensive analysis of selecting future ESSs to attain the sustainable development of MGs. Therefore, this review provides significant information for implementing ESS in MG applications and improving the present technology.

چکیده

1. مقدمه

2. مرور کلی سیستم ذخیره انرژی

A. پیکره بندی سیستم ذخیره انرژی

B. طبقه بندی سیستم ذخیره انرژی

C. ساختار سیستم ذخیره انرژی (ESS)

3. انواع سیستمهای ذخیره انرژی

A. سیستم‌های ذخیره سازی مکانیکی

B. سیستم‌های ذخیره سازی الکتروشیمیایی

C. سیستم‌های ذخیره سازی شیمیایی

D. سیستم‌های ذخیره الکتریکی

E. سیستم‌های ذخیره سازی حرارتی

F. سیستم‌های ذخیره سازی انرژی ترکیبی

4. مسائل و چالشهای ESS در کاربردهای MG

A. انتخاب مواد

B. رابط الکترونیک قدرت

C. سیستم مدیریت انرژی

D. اندازه و هزینه ESS

E. تأثیر زیست محیطی

F. معضلات ایمنی

5. بحث و نتیجه گیری

منابع

ABSTRACT

1. INTRODUCTION

2. OVERVIEW OF ENERGY STORAGE SYSTEM

A. ENERGY STORAGE SYSTEM CONFIGURATION

B. CLASSIFICATION OF ENERGY STORAGE SYSTEM

C. STRUCTURES OF ESS

3. TYPES OF ENERGY STORAGE SYSTEMS

A. MECHANICAL STORAGE SYSTEMS

B. ELECTROCHEMICAL STORAGE SYSTEMS

C. CHEMICAL STORAGE SYSTEMS

D. ELECTRICAL STORAGE SYSTEMS

E. THERMAL STORAGE SYSTEMS

F. HYBRID ENERGY STORAGE SYSTEMS

4. ISSUES AND CHALLENGES OF ESS IN MG APPLICATIONS

A. MATERIALS SELECTION

B. POWER ELECTRONIC INTERFACE

C. ENERGY MANAGEMENT SYSTEM

D. SIZE AND COST OF ESS

E. ENVIRONMENTAL IMPACT

F. SAFETY ISSUES

5. DISCUSSION AND CONCLUSION

REFERENCES