Online Management of MicroGrid With Battery

7/26/2019 Online Management of MicroGrid With Battery

1/6

POWERENG

2 0 0 7 , A p r i l 1 2 - 1 4 , 2 0 0 7 ,

S e t u b a l ,

P o r t u g a l

O n l i n e M a n a g e m e n t o f M i c r o G r i d w i t h B a t t e r y

S t o r a g e

U s i n g

M u l t i o b j e c t i v e O p t i m i z a t i o n

F a i s a l

A .

M o h a m e d ,

H e i k k i

N . K o i v o

C o n t r o l

E n g in e e r i n g L a b ,

H e l s i n k i

U n i v e r s i t y

o f T e c h n o l o g y ,

P . O .

Box 5 5 0 0 ,

F I N - 0 2 0 1 5 H U T ,

F i n l a n d

E m a i l :

m o h a m e d . f a i s a l @ h u t . f i , h e i k k i . k o i v o @ h u t . f i

A b s t r a c t - T h i s

p a p e r

p r e s e n t s

a g e n e r a l i z e d f o r m u l a t i o n

f o r

d e t e r m i n i n g

t h e

o p t i m a l

o p e r a t i n g s t r a t e g y a n d c o s t

o p t i m i z a t i o n

s c h e m e a s w e l l a s

r e d u c i n g

t h e

e m i s s i o n s o f a

M i c r o G r i d

( M G ) .

M u l t i o b j e c t i v e (MO)


i s

a p p l i e d

t o t h e

e n v i r o n m e n t a l

e c o n o m i c p r o b l e m

o f t h e M G. T h e

p r o p o s e d

p r o b l e m

i s

f o r -

m u l a t e d a s a n o n l i n e a r c o ns t r a i n e d

MO

o p t i m i z a t i o n p r o b l e m

P r i o r t o

t h e o p t i mi z a t i o n ,

s y s t e m

m o d e l c o mp o n e n t s

t a k e n f r o m

r e a l m a n u f a c t u r a l d a t a

a r e

c o n s t r u c t e d . T h e

m o d e l

t a k e s i n t o

c o n s i d e r a t i o n t h e o p e r a t i o n a n d

m a i n t e n a n c e

c o s t s a s w e l l a s

t h e r e d u c t i o n i n

e m i s s i o n s

o f

N O x , S O 2 ,

a n d

C O 2

T h e MG

c o n s i d e r e d

i n

t h i s

p a p e r

c o n s i s t s o f a w i n d

t u r b i n e ,

a m i c r o

t u r b i n e ,

a

d i e s e l

g e n e r a t o r ,

a

p h o t o v o l t a i c a r r a y

a

f u e l

c e l l ,

a n d

a

b a t t e r y s t o r a g e .

T h e


i s a i m e d

a t

m i n i m i z i n g

t h e

c o s t

f u n c t i o n

o f t h e

s y s t e m

w h i l e

c o n s t r a i n i n g

i t t o m e e t

t h e

c o s t u m e r

demand

a n d

s a f e t y

o f t h e

s y s t e m .

T h e

r e s u l t s d e m o n s t r a t e

t h e

e f f i c i e n c y

o f t h e

p r o p o s e d

a p p r o a c h t o s a t i s f y

t h e l o a d a n d

t o

r e d u c e

t h e c o s t

a n d

t h e

e m i s s i o n s

i n

o n e

s i n g l e r u n .

I n i d e x

T e r m s - m n i c r o g l r i d , m n u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ,

l o a d

m a n a g e m e n t , w i n d t u r b i n e , p h o t o v o l t a i c ,

d i e s e l

g e n e r a t o r , ( P E M )

f u l l

c e l l ,

m i c r o t u r b i n e ,

b a t t e r y s t o r a g e .

I .

INTRODUCTION

THE

n e e d f o r m o r e f l e x i b l e e l e c t r i c s y s t e m s , c h a n g i n g

r e g u l a t o r y

a n d e c o n o m i c

s c e n a r i o s ,

e n e r g y

s a v i n g s a n d


i m p a c t

a r e

p r o v i d i n g

i m p e t u s

t o

t h e

d e v e l o p -

m e n t o f

M G s ,

w h i c h a r e p r e d i c t e d t o p l a y a n i n c r e a s i n g

r o l e

i n

f u t u r e p o w e r s y s t e m s [ 1 ] . One o f

t h e

i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s

o f

t h e

MG u n i t s i s t h e

u t i l i z a t i o n

o f

s m a l l - i i o d u l a r r e s i d e n t i a l

o r

c o m m e r c i a l

u n i t s

f o r

o n s i t e s e r v i c e . T h e MG u n i t s c a n

b e c h o s e n s o t h a t

t h e y s a t i s f y

t h e

c u s t o m e r

l o a d

d e m a n d

a t

c o m p r o m i s e

c o s t a n d e m i s s i o n s

a l l t h e t i m e .

T h e

m a n a g e m e n t

o f

t h e MG u n i t s

r e q u i r e s

a n a c c u r a t e e n v i -

r o n m e n t a l

e c o n o m i c

m o d e l t o d e s c r i b e t h e

o p e r a t i n g p r o b l e m

t a k i n g

i n t o a c c o u n t t h e

o u t p u t p o w e r p r o d u c t i o n .

S u c h a

m o d e l

i s d i s c r e t e a n d n o n l i n e a r

i n

n a t u r e ,

h e n c e

o p t i m i z a t i o n s

t o o l s

a r e n e e d e d

t o e x t r a c t t h e b e s t

c o m p r o m i s e

s o l u t i o n b e t w e e n

t h e

o p e r a t i n g

c o s t s

a n d e m i s s i o n .

When

d e s i g n i n g

t h e

M G s ,

s p e c i a l

a t t e n t i o n

s h o u l d b e

g i v e n

t o

t h e MG c e n t r a l c o n t r o l l e r

T h e

MG c e n t r a l c o n t r o l l e r

u s e s

t h e i n f o r m a t i o n f r o m l o c a l e l e c t r i c a l a n d t h e r m a l

n e e d s ,

p o w e r

q u a l i t y

r e q u i r e m e n t ,

e l e c t r i c i t y

a n d f u e l

c o s t s ,

e m i s s i o n

r e d u c t i o n ,

e t c t o c o m p u t e

t h e

a m o u n t o f

t h e

p o w e r

t a k e n

f r o m

t h e m a i n

u t i l i t y

[ 2 ]

S i g n i f i c a n t

r e s e a r c h

h a s b e e n c o n d u c t e d

i n

t h e

a r e a s

o f

M G s ,

w h i c h

ma y

h a v e m a n y d i f f e r e n t s i z e s

a n d

f o r m s ;

some

m o d e l a r c h i t e c t u r e s

h a v e b e e n

p r o p o s e d

i n

t h e

l i t e r a t u r e s u c h

a s

[ 2 ]

[ 3 ]

C o m m u n i c a t i o n

i n f r a s t r u c t u r e

o p e r a t i n g

b e t w e e n

t h e

p o w e r

s o u r c e s t o s o l v e t h e


p r o b l e m

f o r

t h e

o f b u i l d i n g

M Gs

o p t i m i z e d

f o r c o s t a n d

s u b j e c t

t o

r e l i a b i l i t y

c o n s t r a i n t s h a v e b e e n p r e s e n t e d

i n

[ 4 ] .

S o l v i n g

t h e e n v i r o n m e n t a l e c o n o m i c p r o b l e m i n t h e

p o w e r

g e n e r a t i o n

h a s r e c e i v e d

c o n s i d e r a b l e

a t t e n t i o n .

An

e x c e l l e n t

o v e r v i e w

o n c o m m o n l y

u s e d e n v i r o n m e n t a l e c o n o m i c

a l g o -

r i t h m s c a n b e f o u n d i n

[ 5 ] . T h e

e n v i r o n m e n t a l e c o n o m i c p r o b -

l e m s h a v e

b e e n

e f f e c t i v e l y s o l v e d

b y t h e g o a l

p r o g r a m m i n g

m e t h o d

[ 6 ] ,

t h e c l a s s i c a l t e c h n i q u e

[ 7 ] ,

a n d

f u z z y

s a t i s f a c t i o n -

m a x i m i z i n g a p p r o a c h [ 8 ] ,

h o w e v e r , t h e

c o m p u t i n g

s p e e d

o f

t h e s e

s o l u t i o n s

i s

u n s a t i s f a c t o r y

f o r

o n l i n e a p p l i c a t i o n s .

S e v e r a l

s t r a t e g i e s

h a v e

b e e n r e p o r t e d

i n

t h e

l i t e r a t u r e

r e -

l a t e d

t o t h e o p e r a t i o n c o s t a s w e l l

a s

m i n i m i z a t i o n e m i s s i o n

o f M G.

I n

[ 1 ]

t h e o p t i m i z a t i o n i s

a i m e d a t

r e d u c i n g

t h e

f u e l c o n s u m p t i o n r a t e o f t h e s y s t e m w h i l e c o n s t r a i n i n g i t t o

f u l f i l t h e l o c a l

e n e r g y

d e m a n d

( b o t h

e l e c t r i c a l a n d

t h e r m a l )

a n d

p r o v i d e

a

c e r t a i n m i n i m u m r e s e r v e p o w e r . T h e

p r o b l e m

h a s b e e n t r e a t e d a s a s i n g l e o b j e c t i v e p r o b l e m b y n e i t h e r

c o n s i d e r i n g t h e e m i s s i o n

n o t t h e

o p e r a t i o n a n d

m a i n t e n a n c e

c o s t s .

T h i s

f o r m u l a t i o n ,

h o w e v e r ,

h a s a s e v e r e

d i f f i c u l t y

i n

g e t t i n g

t h e

t r a d e - o f f r e l a t i o n s b e t w e e n

c o s t

a n d

e m i s s i o n .

A

l i n e a r p r o g r a m m i n g b a s e d o p t i m i z a t i o n p r o c e d u r e

i n w h i c h

t h e

o b j e c t i v e s

a r e c o n s i d e r e d

o n e

a t

a t i m e

w a s

p r e s e n t e d

i n

[ 9 ] .

S i n c e

t h e


e c o n o m i c

p r o b l e m

i s

a

h i g h l y

n o n l i n -

e a r

o p t i m i z a t i o n p r o b l e m ,

c o n v e n t i o n a l


m e t h o d s

t h a t

m a k e

u s e o f t h e d e r i v a t i v e s a n d

g r a d i e n t s

a r e

n o t a b l e t o

l o c a t e o r i d e n t i f y t h e g l o b a l o p t i m u m .

On

t h e o t h e r

h a n d ,

many

m a t h e m a t i c a l

a s s u m p t i o n s

s u c h a s

a n a l y t i c

a n d d i f f e r e n t i a l

o b j e c t i v e

f u n c t i o n s

h a v e t o

b e

g i v e n

t o

s i m p l i f y ,

t h e

p r o b l e m .

A d d i t i o n a l l y ,

t h i s

a p p r o a c h d o e s n o t

g i v e a n y

i n f o r m a t i o n

r e g a r d i n g t h e

t r a d e - o f f s

i n v o l v e d .

O u r


m e t h o d i n c o r p o r a t e s

a n

e x p l i c i t

c o s t

m i n -

i m i z a t i o n c r i t e r i o n

a p p l i e d t o

t h e

MG a r c h i t e c t u r e

a s w e l l a s

m i n i m i z i n g

t h e e m i s s i o n . T h e

f o r m u l a t i o n i n t h i s

w o r k

s e e k s

t h e m o s t


e c o n o m i c a l

g e n e r a t i o n

t o

s a t i s f y

t h e

l o a d d e m a n d a n d t h e c o n s t r a i n t s . T h e

p r o b l e m

i s

d e c o m p o s e d

i n t o

s e v e r a l

s t a g e s

s t a r t i n g

w i t h

b u i l d i n g

t h e

s y s t e m

m o d e l

w h i c h i s a n

i m p o r t a n t s t a g e

t o

u n d e r s t a n d

t h e

p r o b l e m . T h e

n e x t

s t a g e

i s

t h e

a l g o r i t h m

d e v e l o p e d b y

t h e

a u t h o r s T h e

a l g o

r i t h m

c o n s i s t s o f

d e t e r m i n i n g

a t e a c h i t e r a t i o n

t h e o p t i m a l

u s e

o f

t h e r e s o u r c e s

a v a i l a b l e ,

s u c h a s w i n d

s p e e d , t e m p e r a t u r e ,

a n d

i r r a d i a t i o n a s

t h e y

a r e t h e

i n p u t s

t o

t h e

m o d e l

I f t h e

p r o d u c e d p o w e r

f r o m t h e w i n d

t u r b i n e

a n d t h e

p h o t o v o l t a i c

c e l l

i s l e s s t h a n t h e l o a d

d e m a n d

t h e n t h e

a l g o r i t h m

g o e s

t o

t h e n e x t

s t a g e

w h i c h

i s t h e u s e o f t h e o t h e r a l t e r n a t i v e s o u r c e s

a c c o r d i n g

t o t h e l o a d

a m o u n t a n d

t h e

o b j e c t i v e

f u n c t i o n o f

e a c h

o n e .

f u e l

c o n s u m p t i o n

h a v e b e e n

p r o p o s e d

i n

[ I ] .

A

r a t i o n a l

m e t h o d

I n t h i s

p a p e r ,

we

r i g o r o u s l y

s t u d y t h e

MG

c o m p o n e n t s i n

1 - 4 2 4 4 - 0 8 9 5 - 4 / 0 7 / 2 0 . 00

U 2 0 0 7

I E E E 2 3 1

I


2/6

t e r m i s

o f

a c c t u r a c y

a n i d

e f f i L c ~ i e n y

o f

h a v i n i g

a

s y

s t e m

m o i d e l

b a s e d on

t h e

c o s t s

o f

f u e l ,

o p e r a t i o n

a n d

m a i n t e n a n c e ,

a s

w e l l

a s t h e

e m i s s i o n

r e d u c t i o n .

T h e

s y s t e m

m o d e l

c l e a r l y

h a s

t h e

p o t e n t i a l

t o

e x p l a i n

t h e e n v i r o n m e n t a l / e c o m o m i c

p r o b l e m

s i g -

n i f i c a n t l y

b e t t e r

t h a n

b e f o r e .

H o w e v e r ,

d e v e l o p i n g

t h e

s y s t e m

m o d e l

i m p o s e s

s t u d y

i n g

m i n i m i z a t i o n o f t h e

c o s t

a n d

r e d u c i n g

t h e e m i s s i o n s o f

t h e

s y s t e m .

T h u s ,

i t

i s

i m p o r t a n t

t h a t

t h e

p r o b l e m

o f m i n i m i z a t i o n

t h e

c o s t a n d

r e d u c i n g

t h e

e m i s s i o n s

a s

w e l l

a s

s e r v i n g

t h e

l o a d

o f

t h e

MG b e

i n v e s t i g a t e d .

T h e

s e c o n d

o b j e c t i v e

o f t h i s

p a p e r

d e a l s

w i t h

s o l v i n g

t h e

o p t i m i z a t i o n p r o b l e m

w h i c h

u s e s

s e v e r a l s c e n a r i o s t o

e x p l o r e

t h e b e n e f i t s o f

h a v i n g o p t i m a l m a n a g e m e n t

o f

t h e

M G.

T h e

e x p l o r a t i o n

i s

b a s e d

on

t h e

m i n i m i z a t i o n

o f

r u n n i n g

c o s t s

a n d

r e d u c i n g

t h e

e m i s s i o n s ,

t h e n i t

i s

e x t e n d e d t o

c o v e r

a

l o a d

d e m a n d

s c e n a r i o

i n t h e

MG.

I t w i l l

b e s h o w n t h a t

b y

d e v e l o p i n g

a

g o o d

s y s t e m

m o d e l ,

w e c a n u s e a n


t e c h n i q u e

t o s o l v e t h e


p r o b l e m a c c u r a t e l y

a n d

e f f i c i e n t l y .

II

SYSTEMMODEL

TheMGrchitecture studied

i s

shown in

Fi g

I.

It

c o n s i s t s

of

a

group

of

radial

f e e d e r s ,

which

could be

part

of adistribution

system.

There is a

single point

of connection to the

u t i l i t y

called Point

of

Common

Coupling

(PCC).

The feeders

and

2

have

sensitive

loads

which

should be

supplied

during

the

e v e n t s .

The

feeders a l s o

have the

m i c r o s o u r c e s

c o n s i s t i n g

o i f

a

photovoltaic

(PV ),

awind

turbine

(WT),

a fuel

c ell

(FC ),

a

microturbine

(MT),

adiesel

generator,

and

a

battery

s t o r a g e .

The

third

feeder has

o n l y

traditional

loads.

The

s t a ti c

switch

(SD)

is

used

to island the feeders

and

2 from the

u t i l i t y

when

events

h app e n e n .

The

fuel

input

is

needed

o n l y

for the

DG,

FC,

and

MTas

the

fuel for

theWTand PVcomesfrom

nature.

To

serve

the load demand and

ch arge

the

battery,

electrical

power

canbe

produced

either

directly

by

PV,

WT,

DG,

MT,

or

FC.

Each

component

of

theMG

system

is modeled

separately

based on

its characteristics

and

constraints. The

characteristics

of

some

equipment

like wind turbines

and

diesel

generators

are available from

the

manufacturer. A

ch arger

controller is

required

to

limit the

depth

of

discharge

of

the

b a t t e r y ,

to limit

the

ch arging

current

supplied

to the

battery,

and to

prevent

overcharging,

while

making

useof the

power

from the other

microsources when i t

is available.

SYSTEMCOMPONENTS

A. Wind T u r b i n e

The

f o l l o w i n u g

is

the

moidel

used

to

c a l c i u l a t e

the

o u t p u t

power g e n e r a t e d by

the

wind turbine

generator

[

I

I

]

Fig.

MicroGrid

Architecture.

obtained from the

owner s

manual.

The

parameters

in model

(1)

are as f o l l o w s- a

3.4

b

12- c

9.2

PWTr,

130

watt,

Vj

3.5 m/s,

V , , 0

18 m/s, V

1 7.5

m/s.

B. P h o t o v o l t a i c

Cell

The

output power

of

the

module can

be

calculated as

[ 1 2 ] -

Ppv

PSTC

'GSTC

where.

Ppv

The

output

power

of the

module

at

Irradiance

(GING),

PSTO

The Module maximum

power

at

Standard

Test

Condition

( S T C ) ,

GING

Incident

I r r a d i a i i c e ,

GSTC

Irradiance at

STC

1

000

W

m

2),

k

Temperature

coefficient

of

power,

TC

The c e l l

temperature,

Tr

The

reference

temperature.

( 2)

C .

Diesel

Generator Costs

The

fuel cost

of a

power system

canbe

e xp r e s s e d m a i n l y

as

a

function

of

it s real

power

output

and

can

be

modeled

by

quadratic p o l y n o m i a l

[13],

The t o t a l

1h

DG

fuel COSt

CDGi

canbe

e xp r e s s e d

as

PWT

0 , O

{PWT

=aV2

+bV

+c,

PWT

=

WT,r,

V

,)

( 1)

where

PWT,,r Vj

and

V , 0

are

the

rated

power,

cut-in

and

cut-out wind

s p e e d

respectively.

Furthermore,

Vr

and

V

are

the rated

and

actual wind

speed.

We

modeled

the

commercial wind turbine

AIR403

power

(3)

whereNs the number of

g e n e r a t o r s ,

d i , e i ,

and

f i

are

the

coefficients

of the

generator,

P D C G , i

is

the diesel

g e n e r a t o r i

output power

(kW), 1 , 2 , . . . ,

N

ssumed to be

n u m e rical l y

known.

T y p i c a l l y ,

the constants

d i e i ,

and

f i

are

given

by

the

curve

acc ording

to

equation

( 1 ) ,

with the actual

power

curve23

manufacturer.

From the

data sheet

[14]

and

equation

(3 )

the

2

M i c r o G r i d

C e n t r a

I

C o n t r o i l e r

P C C

-n

2

C. )

r-

0

a

r-

0

a

r-

0

2 L


3/6

p a r a m e t e r s

a r e

o b t a i n e d

a s

f o l l o w s :

d ,

=

0 . 4 3 3 3 ,

e l

=

0 . 2 3 3 3 ,

a n d

f i

=

0 . 0 0 7 4 .

D .

F u e l C e l l C o s t

T h e e f f i c i e n c y

o f

a n y f u e l c e l l i s t h e r a t i o b e t w e e n t h e

e l e c t r i c a l

p o w e r o u t p u t

a n d t h e f u e l

i n p u t , b o t h o f

w h i c h

m u s t

b e

i n

t h e

s a m e

u n i t s

( W ) ,

[ 1 5 ] .

T h e

f u e l

c o s t

f o r

t h e

f u e l

c e l l

i s c a l c u l a t e d

a s .

T PJ

CFC

=

C n l ,-

J

( 4 )

w h e r e

C n l

i s

t h e n a t u r a l

g a s

p r i c e t o s u p p l y

t h e f u e l

c e l l ,

P j

i s t h e

n e t

e l e c t r i c a l

p o w e r

p r o d u c e d a t

i n t e r v a l

J a n d

T / j

i s

t h e c e l l

e f f i c i e n c y

a t i n t e r v a l J .

T o m o d e l

t h e

t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e

o f

PEM

f u e l c e l l ,

a

t y p i c a l e f f i c i e n c y

c u r v e i s u s e d t o

d e v e l o p

t h e c e l l

e f f i c i e n c y

a s

a

f u n c t i o n o f

t h e

e l e c t r i c a l

p o w e r

a n d

u s e d

i n

e q u a t i o n

(

4 )

[ 1 6 ] .

E . M i c r o t u r b i n e C o s t

T h e

e c o n o m i c

m o d e l i s s i m i l a r t o t h e FC m o d e l . U n l i k e t h e

F C , t h e

e f f i c i e n c y

o f t h e

MT

i n c r e a s e s w i t h

t h e i n c r e a s e

o f

t h e s u p p l i e d

p o w e r

[ 1 7 ] .

Due t o l a c k o f d e t a i l e d

i n f o r m a t i o n ,

t h e c u r v e s

o f

t h e

MT

a r e

r e s c a l e d

t o b e s u i t a b l e f o r

a

u n i t

w i t h

l e s s t h a n

4kW

r a t i n g .

T h e s e c u r v e s

a r e

u s e d t o d e r i v e t h e e l e c t r i c a l e f f i c i e n c y a s

f u n c t i o n s

o f t h e

e l e c t r i c a l

p o w e r

t o b e u s e d

i n

t h e

e c o n o m i c

m o d e l

o f

t h e MT.

F

B a t t e r y M o d e l

B a t t e r i e s

a r e e l e c t r o c h e m i c a l d e v i c e s

t h a t s t o r e

e n e r g y

f r o m

o t h e r

A C o r D C s o u r c e s f o r l a t e r

u s e .

T h e

p o w e r

f r o m

t h e

b a t t e r y

i s

n e e d e d w h e n e v e r t h e

PV

o r / a n d WT a r e

i n s u f f i c i e n t

t o

s u p p l y

t h e

l o a d ,

o r w h e n b o t h t h e m i c r o s o u r c e s a n d t h e

m a i n

g r i d

f a i l t o m e e t t h e t o t a l

l o a d d e m a n d .

On o t h e r

h a n d ,

t h e r e w i l l

e n e r g y

s t o r e d

i n

t h e

b a t t e r y

w h e n e v e r

t h e

s u p p l y

f r o m t h e

m ic r o s o u r c e s e xc e e d s t h e

l o a d

d e m a n d .

When

d e t e r m i n i n g t h e

s t a t e

o f c h a r g e f o r

a n e n e r g y s t o r a g e

d e v i c e ,

t w o c o n s t r a i n t

e q u a t i o n s

m u s t b e s a t i s f i e d a t a l l

t i m e s .

F i r s t ,

b e c a u s e i t

i s

i m p o s s i b l e

f o r

a n

e n e r g y

s t o r a g e

d

e v i c e

t o c o n t a i n

n e g a t i v e e n e r g y ,

t h e maximum s t a t e o f

c h a r g e

( S O G m n a x j

a n d t h e m i n i m u m s t a t e

o f

c h a r g e

( S O C

m i n ,

o f

t h e

b a t t e r y

a r e 1 0 0

%

a n d 2 0

%

o f

i t s

A E I c a p a c i t y , r e s p e c t i v e l y .

T h e c o n s t r a i n t s

o n

b a t t e r y

S O C .

S O C r n

Online Management of MicroGrid With Battery

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