Daktaro disertacijoje tyrinėjamos vėjo elektrinių balansavimo galimybės panaudojant energijos kaupimo sistemas ir sprendžiamas balansavimo galių valdymo uždavinys. Darbo metu buvo ištirta vėjo elektrinių prognozavimo paklaidų įtaka balansavimo galioms, sudaryti balansavimo galių valdymo ir energijos kaupimo sistemų dinaminiai modeliai ir nustatyti tokių sistemų parametrai vėjo elektrinių galių subalansavimui atsižvelgiant į valdymo signalo kitimo greitį ir balansuojančių elektrinių galios keitimo spartą. Darbo išvados ir sukaupta informacija yra reikšminga integruojant energijos kaupimo sistemas į automatinio generavimo valdymo sistemos darbą. Pasiūlyti sprendimai leidžia tiksliau nustatyti reguliavimo rezervo apimtis bei pagerinti sistemos režimo parametrų valdymo kokybę. / Wind power balancing using energy storage systems as well as balancing control strategies are investigated in the thesis. The wind power balancing options are expanded by proposed dynamic models according to control signal rate of change and power plants ramp rates. The influence of wind power forecasting errors to regulating power reserve was investigated. The required energy storage system parameters for wind power balancing were determined and the regulation intensity of conventional power plants was reduced. The results obtained in the thesis are useful for energy storage systems integration into the central automatic generation control system. The solutions proposed let to increase the determination accuracy of regulating active power reserves and improve the quality of the system control parameters.

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Battery Energy Storage Systems (BESSs) have become an increasingly popular feature of the electrical grid in the California ISO (CAISO) as a means to address the challenges posed by renewable energy variability and escalating peak demand. Due to their ability to reduce peak load demand on traditional generators and extend the benefits of the merit order effect, they have been theorized and claimed to reduce peak electricity prices. The purpose of this study is to test these claims within CAISO and understand what effects BESSs have had on peak electricity prices. Our findings show that there has been a significant decrease in prices after the introduction of BESSs into the grid although we found no significant effects of an increasing utilization of BESSs on peak electricity prices. We conclude that BESS utilization in CAISO has had no effect on peak electricity prices. We are contributing to the literature on the tangible market impacts of BESSs, highlighting the need for further empirical research in this domain.

The ship emission already occupy the eighth position in the world biggest emitters ranking. This happens because the ship operations have a huge demand variation therefore in order to reduce the ship emissions is required an efficient operation of the generators. This work aims at integrating advanced storage systems into the operation of diesel generators. The variation of the operation point has a direct interference on the emissions and on the diesel consumption, this variation is allowed through the frequency and voltage control. The use of lithium batteries for various operation points of the generators is analyzed. The use of an energy storage system allowed the operation of the generators in a better operation point therefore there was a reduction in diesel consumption and in CO2 emissions when the diesel generators. The main result of this work could also shed light in the operation of isolated power systems equipped with advanced storage systems and diesel generators. / As emissões dos navios já ocupam a oitava posição entre os países com maior emissão no mundo. Isso pode ser explicado pelo fato de que as operações dos navios têm uma grande variação de demanda de potência, com isso a operação inteligente dos geradores a diesel é fundamental para a redução das emissões. A abordagem desenvolvida nesse trabalho integra o uso de sistemas de armazenamento avançados na operação dos geradores a diesel. A variação do ponto de operação dos geradores a diesel interfere diretamente no consumo e nas emissões, essa variação só é possível por meio do controle de frequência e tensão providos pelo sistema de armazenamento de energia. Nesse trabalho foram analisados o uso de baterias de lítio para diferentes pontos de operação do gerador a diesel. O uso das baterias possibilitou a operação dos geradores num melhor ponto de carga com isso houve uma redução das emissões e do consumo de combustível. Os resultados encontrados nesse trabalho podem ser extrapolados qualitativamente para outros sistemas de potência offshore, como plataformas de petróleo e de perfuração, que operem com sistemas de baterias avançadas e geradores a diesel.

Os Sistemas de Armazenamento a Baterias (SAEB) têm demonstrado uma grande flexibilidade de aplicações em melhorias e resoluções de problemas em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEEs). Grandes variações no valor de tensão dentro de um período, seja diário ou semanal, são observados devido à predominante topologia radial dos SDEEs e o constante aumento da utilização de Geradores Distribuídos (GDs). Pelas características de operar como carga ou geração, os SAEBs podem ser utilizados para melhorar o perfil de tensão. No entanto, as restrições de operação desses dispositivos tornam dificultoso identificar bons momentos de atuação e barramentos de alocação para este propósito. Geralmente, essa atuação é tratada de uma forma dependente dos GDs, porém essa abordagem não permite que os SAEBs possam operar em momentos independentes a fim de melhorar o perfil de tensão do SDEE. Desta forma, neste trabalho é desenvolvida uma abordagem para o planejamento da alocação e atuação do SAEB, utilizando uma modificação no algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO) de forma que o SAEB possa atuar independente dos GDs e ser alocado em outras barras, com o objetivo de melhorar o perfil de tensão. As soluções são analisadas através de simulações de Monte Carlo para investigar o comportamento em diversas situações de curva de carga. Os resultados demonstram que a abordagem proposta busca encontrar boas alocações e atuações e que os parâmetros técnicos dos SAEBs, como capacidade de energia armazenada e potência nominal do inversor, influenciam diretamente nos resultados. / Battery Energy Storage Systems (BESS) have demonstrated great flexibility of applications in improvements and problem-solving in Electrical Distribution Systems (DSs). Significant variations in the nominal voltage value within a period, either daily or weekly, are observed due to the predominant radial topology of the DSs and the constant increase of the use of Distributed Generators (DGs). By the characteristics of operating as load or generation, SAEBs can be used to improve the voltage profile. However, the restrictions of these devices make it difficult to identify good operating moments and allocation buses for this purpose. Generally, this operation is treated in a way dependent on the DGs, but this strategy does not allow the BESS to operate at independent moments to improve the voltage profile of the SDEE. Thus, in this work an approach is developed for SAEBs allocation and operation planning, using a modification in the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm so that the SAEB can operate independently of the GDs and be allocated in other bars, with the objective to improve the voltage profile. The solutions are analyzed through Monte Carlo simulations to investigate the behavior in various load curve situations. The results demonstrate that the proposed approach seeks to find proper allocations and actions and that the technical parameters of SAEBs directly influence the results.

The way the world creates and distributes energy is changing. In 2015 77% of the world’s new power generation installations were either wind or solar PV. These forms of energy are by their nature intermittent – the sun will never shine 24 hours a day. With the rise of these intermittent energy sources, the need to store the energy they create has also risen. Batteries are emerging as a popular choice to solve this problem, with some analysts predicting that by 2024 battery energy storage will reach a scale of 12.5 gigawatts and become an industry with $165 billion in annual revenue. The increase in electric vehicles has caused the average price of lithium-ion batteries to plummet in recent years with expectations of this trend continuing. Managing the energy stored in many, distributed batteries is difficult, but when done right has numerous benefits. This business plan outlines the way Energy Max will provide a software platform to manage battery energy storage. Energy Max plans to sell its software directly to battery energy storage system manufacturers. The company will leverage its connections in Asia in order to focus on potential customers in China and Taiwan. By pursuing this strategy, the company can become a trusted partner to these manufacturers in helping them build a more complete solution to provide end-users. In return for providing the software, customers will be required to pay a one-time integration fee as well as a $15/kWh fee for batteries utilizing the software. This business plans assumes the first year of operations will be spent both building the product and developing Energy Max’s pipeline of future customers. In Year 2 the company will have two customers, but deployment of batteries with the software platform will still be low due to the likely cautious nature of customers. Under a normal growth scenario, the company will grow to Year 5 when Energy Max will attract 18 customers and have its software on 1% of worldwide Li-ion energy storage installations. Following this plan will require $3.5 million of outside funding and positive net income after tax in Year 4.

The ship emission already occupy the eighth position in the world biggest emitters ranking. This happens because the ship operations have a huge demand variation therefore in order to reduce the ship emissions is required an efficient operation of the generators. This work aims at integrating advanced storage systems into the operation of diesel generators. The variation of the operation point has a direct interference on the emissions and on the diesel consumption, this variation is allowed through the frequency and voltage control. The use of lithium batteries for various operation points of the generators is analyzed. The use of an energy storage system allowed the operation of the generators in a better operation point therefore there was a reduction in diesel consumption and in CO2 emissions when the diesel generators. The main result of this work could also shed light in the operation of isolated power systems equipped with advanced storage systems and diesel generators. / As emissões dos navios já ocupam a oitava posição entre os países com maior emissão no mundo. Isso pode ser explicado pelo fato de que as operações dos navios têm uma grande variação de demanda de potência, com isso a operação inteligente dos geradores a diesel é fundamental para a redução das emissões. A abordagem desenvolvida nesse trabalho integra o uso de sistemas de armazenamento avançados na operação dos geradores a diesel. A variação do ponto de operação dos geradores a diesel interfere diretamente no consumo e nas emissões, essa variação só é possível por meio do controle de frequência e tensão providos pelo sistema de armazenamento de energia. Nesse trabalho foram analisados o uso de baterias de lítio para diferentes pontos de operação do gerador a diesel. O uso das baterias possibilitou a operação dos geradores num melhor ponto de carga com isso houve uma redução das emissões e do consumo de combustível. Os resultados encontrados nesse trabalho podem ser extrapolados qualitativamente para outros sistemas de potência offshore, como plataformas de petróleo e de perfuração, que operem com sistemas de baterias avançadas e geradores a diesel.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-07-19T17:30:37Z No. of bitstreams: 1 PedroLeiteNeto.pdf: 15729023 bytes, checksum: 58efe211075c14c50cf9c297aa235d4f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-19T17:30:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PedroLeiteNeto.pdf: 15729023 bytes, checksum: 58efe211075c14c50cf9c297aa235d4f (MD5) Previous issue date: 2017-06-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The development of microgrids was driven by the need to supply consumers with more stable and reliable electricity. The intermittent nature of renewable sources differs from the requirements of consumers - especially in isolated areas - who expect an uninterrupted and quality energy supply. Isolated microstrips may have available one or more renewable sources to be explored, configuring hybrid systems. Although such renewable sources are inexhaustible, energy conversion systems are capacity limited and need to be explored efficiently. Hybrid systems typically include solar photovoltaic and wind, already well studied. In this thesis are introduced the oceanic energies in their gradient and tidal currents forms. This thesis contributes to the efficient exploration of the oceanic sources, both as a single source as well as in a hybrid configuration. In relation to the isolated operation, the storage system is of fundamental importance. Considering the high costs of a battery bank over the total cost of the system, operating strategies that preserve its useful life while maintaining uninterrupted power supply are mandatory. Considering these aspects, in this work is proposed a dual energy storage system composed of two subsystems with diversified functions and submitted to different chage/discharge conditions. The purpose of this new strategy is a more efficient use of the storage system, since this operating regime becomes closer to the recommended by the battery manufacturers. The benefits of this strategy are reflected in the overall cost reduction of the microgrid. In order to achieve optimum operating strategies, a more accurate mathematical model of the batteries is used to reproduce the behavior of the batteries in a more realistic way. In addition, it is investigated the performance of operating strategies that allow maximum benefits to be obtained through the diversification of the microgrid energy matrix, by including hydrokinetic tidal sources. The motivation for including this source lies in its high potential, especially on the northern coast of Brazil. These benefits should be evaluated mainly through the more efficient use of the storage system as well as the reduction of the participation of fossil fuel units in the operation of isolated microgrids. / O desenvolvimento das microrredes foi impulsionado pela necessidade de suprir os consumidores com eletricidade de forma mais estável e confiável. A natureza intermitente das fontes renováveis se contrapõe às exigências dos consumidores - especialmente em áreas isoladas - que esperam por um fornecimento de energia sem interrupções e com qualidade. As microrredes isoladas podem ter disponíveis uma ou mais fontes renováveis para serem exploradas, configurando sistemas híbridos. Embora tais fontes renováveis sejam inesgotáveis, os sistemas de conversão de energia são limitados em capacidade e devem ser explorados com eficiência. Sistemas híbridos normalmente incluem energia solar fotovoltaica e eólica, já bastante estudadas. Nesta tese são introduzidas as energias oceânicas nas suas formas de gradiente e de correntes de marés. Esta tese contribui para a exploração eficiente de fontes oceânicas, tanto na operação como fonte única assim como em configuração híbrida. No que tange a operação isolada, o sistema de armazenamento tem importância fundamental. Considerando os elevados custos de um banco de baterias sobre o custo total do sistema, estratégias de operação que preservem sua vida útil, ao mesmo tempo que mantenham o fornecimento ininterrupto de energia, são mandatórias. Diante destes aspectos, neste trabalho é proposto um sistema dual de armazenamento de energia composto de dois subsistemas com funções diversificadas e submetidos a condições de carga/descarga diferentes. O objetivo desta nova estratégia consiste no uso mais eficiente do sistema de armazenamento, uma vez que esse regime de operação se torna mais próximo daquele recomendado pelos fabricantes de baterias. Os benefícios desta estratégia são refletidos na redução dos custos globais da microrrede. Para conseguir as estratégias de operação ótima, neste trabalho é utilizado um modelo matemático mais acurado das baterias a fim de reproduzir de forma mais realista o comportamento das baterias. Além disso, é investigado o desempenho de estratégias de operação que permitam obter o máximo de benefícios decorrentes da diversificação da matriz energética da microrrede, através da inclusão de fontes hidrocinéticas maremotrizes. A motivação para a inclusão desta fonte está no seu elevado potencial, em especial no litoral norte do Brasil. Estes benefícios devem ser avaliados especialmente quanto ao uso mais eficiente do sistema de armazenamento, assim como a redução da necessidade de participação de unidades baseadas em combustível fóssil na operação de microrredes isoladas.

Solving the key issue of sustainability of battery-powered sensors continues to attract significant research attention. The prevailing theme of this research is to address this concern using energy-efficient protocols based on a form of simple cooperative transmission (CT) called the opportunistic large arrays (OLAs), and intelligent exploitation of energy harvesting and hybrid energy storage systems (HESSs). The two key contributions of this research, namely, OLA with transmission threshold (OLA-T) and alternating OLA-T (A-OLA-T), offer an signal-to-noise ratio (SNR) advantage (i.e., benefits of diversity and array (power) gains) in a multi-path fading environment, thereby reducing transmit powers or extending range. Because these protocols do not address nodes individually, the network overhead remains constant for high density networks or nodes with mobility. During broadcasting across energy-constrained networks, while OLA-T saves energy by limiting node participation within a single broadcast, A-OLA-T optimizes over multiple broadcasts and drains the the nodes in an equitable fashion. Another important contribution of this research is the design and analysis of a novel routing metric called communications using HESS (CHESS), which extends the rechargeable battery (RB)-life by relaying exclusively with supercapacitor (SC) energy, and is asymptotically optimal with respect to the number of nodes in the network.

Orientador: Prof. Dr. Jorge Tomioka / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014. / No contexto energético, as mudanças climáticas e as crescentes crises energéticas aumentaram as preocupações e as pesquisas na área de acumuladores de energia, visando alcançar melhorias no cenário energético e ambiental global. Ao mesmo tempo, a sociedade tornou-se dependente do consumo de energia elétrica, sendo que falhas no fornecimento não são permitidas. Portanto, observa-se a necessidade da energia ofertada ser de boa qualidade e, principalmente, não sofrer interrupções. Atrelado a esses fatores, a bateria de Magnésio ¿ Ar passou a ser considerada uma fonte promissora de energia elétrica, principalmente pela abundância de Magnésio (sétimo elemento mais presente no planeta), por não poluir o meio ambiente, ser barata e possuir energia especifica elevada. Essas características transformam esse acumulador em um potencial substituto para outras tecnologias. No entanto, a bateria demagnésio possui desvantagens que precisam ser vencidas por meio de pesquisas para alavancar o seu uso comercial massivo. Sob essa perspectiva, neste trabalho propõe-se o estudo da liga de magnésio AZ91 para aplicação em baterias de Magnésio ¿ Ar, por meio de ensaios de porosidade e de dureza, como também análise microestrutural e mensuração do potencial de circuito aberto e das curvas de polarização potenciodinâmica, utilizando-se uma célula eletroquímica de três eletrodos e um potenciostato em diferentes tempos de imersão da liga AZ91 na solução eletrolítica de NaCl 0,1 M. A porosidade da peça, observada no microscópio óptico com ampliação de 50 vezes, revelou que em cada fase de solidificação existem poros de tamanhos diferentes, com distribuição específica. Conforme o processo de resfriamento ocorre, nota-se a presença de poros maiores. Relacionado à porosidade, a dureza apresentou valores maiores na fase inicial de solidificação, onde a porosidade é menor. Por meio da análise microestrutural, foi possível verificar a presença de dendritas, com uma complexa dispersão de segunda fase na liga (alumínio), porosidades e inclusões. As medidas de potencial de circuito aberto indicam uma tendência de resistência à corrosão em temposmaiores de contato da amostra com a solução de NaCl. Não foi possível observar passivação aparente na amostra, nem pontos de corrosão localizada (pite) nas curvas de polarização potenciodinâmica. As variações no potencial de corrosão apontaram uma maior resistência à corrosão em tempos de imersão maiores; contudo, os valores estáveis de densidade de corrente de corrosão demonstram que a velocidade de corrosão permaneceu constante, sendo que a camada de óxido formada não contribuiu na proteção do material. Para a aplicação em baterias de magnésio, esses resultados conferem uma limitação da liga AZ91, pois a camada de óxido formada pode prejudicar o funcionamento do dispositivo em processos de descarga intermitente. As principais formas de controlar a eficiência da bateria de Magnésio ¿ Ar são por meio da composição da liga, da oxigenação, do pH, da temperatura e da concentração de sais NaCl no eletrólito. / In the energy sector, weather changes and rising energy crisis raised concerns and research in energy accumulators to achieve improvements in overall environmental and energy scenario. At the same time, society has become dependent on electricity consumption, so failures in supply are not tolerated. Therefore, the energy needs to have a good quality, and not suffer interruptions. Coupled to these factors, the battery Magnesium ¿ Air has been considered a promising source of electricity, mainly by the abundance of magnesium (seventh-most element present on the planet), not to pollute the environment, be cheap and have high specific energy. These characteristics transform this accumulator in a potential substitute for other technologies. However, the magnesium battery has disadvantages that need to be overcome through research to leverage their massive commercial use. From this point of view, this study proposes the characterization of magnesium alloy AZ91 for application in batteries Magnesium ¿ Air, testing the porosity and hardness, as well as microstructural analysis, and the measurement of the open potential circuit and the potentiodynamic polarization, in various immersion times using an electrochemical cell with three electrodes. The porosity of the part, observed in the optical microscope, revealed that at each stage of solidification, the pores have different sizes and distribution. As the cooling process occurs, could observe the presence of larger pores. Associated to the porosity, hardness values were higher in the initial phase of solidification, where the porosity was less. Through microstructural analysis was verified the presence of dendrites, with a complex dispersion of second phase in the alloy (aluminum), porosity and inclusions. The open potential circuit indicated a tendency for corrosion resistance in greater immersion time in the solution of NaCl. In all cases, the potentiodynamic polarization curves did not exhibit apparent passivity, or points of localized corrosion (pitting). The changes in corrosion potential showed greater resistance to corrosion in immersion times larger, however, the steady state values of corrosion current density demonstrated that the corrosion rate remained constant and the oxide layer formed did not protect the material. For use in magnesium batteries, these results provided a limitation of the AZ91 alloy, because the oxide layer can disturb the functioning of the device in cases of intermittent discharge. The main ways to control the battery efficiency Magnesium ¿ Air are through the alloy composition, oxygenation, pH, temperature and salt concentration of NaCl in the electrolyte.