ENERGIX-Stort program energi

Covid-19-pandemien og konflikten i Ukraina har understreket behovet for rimelige, pålitelige og fleksible energisystemer. Disse hendelsene har gjort det vanskeligere å nå FNs bærekraftsmål om å sikre tilgang til rimelig, bærekraftig og moderne energi for alle. Det har imidlertid vært noen positive resultater, som for eksempel den økte andelen fornybar energi i elektrisitetsproduksjonen under pandemien. Dette gir en mulighet til å akselerere overgangen til fornybar energi. Spesielt solcelleenergi (PV) spiller en viktig rolle i elektrifiseringen av samfunnet. Solceller har blitt stadig rimeligere, med en kostnadsreduksjon på 70 % det siste tiåret. Den er nå konkurransedyktig med kraftproduksjon basert på fossilt brensel. Solcelleanlegg er fleksible og kan brukes til ulike formål og i ulike skalaer, fra små boliginstallasjoner til store solcelleparker. Det er et rent energialternativ som bidrar til å redusere energirelaterte karbonutslipp. Sammen med vindkraft har solceller potensial til å lede an i avkarboniseringen av det globale energisystemet. Opptrappingen av solceller byr imidlertid på utfordringer som krever teknologiske nyvinninger, støttende retningslinjer og oppgradering av nettinfrastrukturen. Etter hvert som solceller blir mer og mer utbredt, oppstår det utfordringer knyttet til ustabiliteten, den usikre produksjonen og den manglende regulerbarheten. Teknologier for energilagring kan løse disse utfordringene ved å lagre overskuddsenergi fra solcellepaneler og frigjøre den ved behov, slik at tilbud og etterspørsel balanseres effektivt. Dette bidrar til å gjøre solenergi mer pålitelig og nyttig for nettet, reduserer avhengigheten av tradisjonelle energikilder og bidrar til et mer bærekraftig og effektivt energisystem. Kommersielle solkraftverk kobles til strømnettet ved hjelp av kraftelektroniske omformere grensesnitt som konverterer likestrømmen fra solcellepanelene til vekselstrøm. Det finnes ulike konfigurasjoner for tilkobling av solcelleanlegg til nettet, for eksempel sentralisert, strengbasert, flerstrengs og mikromodul. Hver konfigurasjon har sine fordeler og ulemper når det gjelder skalerbarhet, energihøsting, pålitelighet og kostnader. Integrering av solcelleproduksjon med batterier i nettet er avhengig av kraftelektroniske omformere grensesnitt. PVBESS-prosjektet fokuserte på integrering av solcelleproduksjon med batterier i nettet ved hjelp av et lovende grensesnitt, nemlig den modulære flernivåomformeren (MMC). Denne omformeren gjør det mulig å koble sammen solcellepaneler i individuelle undermoduler, noe som muliggjør tilpasset MPPT (Maximum Power Point Tracking) for hvert enkelt panel. MMC har en enestående evne til å generere middels høye spenninger uten behov for transformatorer, og gir utmerket kontroll over den interne kraftflyten. Disse kontrollfunksjonene er avgjørende for å kunne håndtere uoverensstemmelser i strømforsyningen som kan oppstå mellom undermodulene, for eksempel når varierende innstrålingsnivåer fører til ulik strømproduksjon. MMC er dessuten godt egnet til å integrere batterier. PVBESS-prosjektet har som mål å fremskaffe teoretisk og eksperimentell bekreftelse for å vurdere ytelsen til denne konseptuelle konfigurasjonen. Prosjektet omfatter følgende hovedaktiviteter: (i) Designe og teste et egnet grensesnitt for solceller og batterier med MMC ved IIT Delhi, der modulene ble designet og utviklet. (ii) Undersøke MMCs evne til å håndtere effektforskjeller internt ved hjelp av simuleringsmodeller. Ulike scenarier med ulike effektforskjeller ble simulert for å evaluere ytelsen til MMC, bruke viktige ytelsesindikatorer og identifisere eventuelle mangler ved omformeren. Dette arbeidet ble utført i samarbeid med NTNU som en del av en masteroppgave. (iii) Et energistyringssystem (EMS) for distribuerte energiressurser (DER), inkludert solcelleanlegg og BESS. En holistisk algoritme ble brukt i eksperimentene. (iv) Delvis integrering av grensesnittene med en flernivåomformer som ble utført på IIT. PVBESS-prosjektet var et skritt fremover i integreringen av nye omformerteknologier, spesielt flernivåomformere for å koble sammen solceller med batterier. Vi oppnådde forbedringer både på maskinvare- og programvaresiden, men konseptet trenger ytterligere FoU sammen med industripartnere for å komme opp på et høyere teknologisk modenhetsnivå (TRL). Mer spesifikt er det nødvendig å fullføre integreringen av alle delene som ble laget i prosjektet, og samle flere bevis på at dette konseptet kan bidra til å øke bruken av solenergi.

WP1: Selection of reference configurations and test cases. The objective was to select a suitable MMC power converter topology and interfaces for grid integration of PV systems embedded with a BESS. Outcome: A report with the selection of the interface for connecting PV and batteries was done in WP1. Several configurations were explored, but the dual active bridge (DAB) was selected for simplicity, efficiency, and controllability. All the specifications were selected in the step. Moreover, some test cases were also formulated and included in a master thesis that was part of the project. WP2: Control design of proposed configuration. Here the objective was to develop control strategies for power sharing and voltage balancing in PV cells and batteries. Outcome: Two levels of controllers were proposed. One at the cell level (Submodule control) and the other at the converter level (Energy management control). Submodule control has been tested in the laboratory with satisfactory results in India. Energy management control at the converter level controls using holistic/optimization algorithms were tested in Norway using simulations with the test cases proposed in WP1. The control details are included in a conference paper. WP3: Demonstration of proposed configuration. Here the objective was the experimental validation of the control algorithm in laboratory conditions. Outcome: The integration was made into two parts: In India, the experiments were done using an H-bridge converter since MMC was not available. Some results can be found in the publications. In Norway, the integration was made using lab-validated MMC models since DAB bridges were not available. The experimental part is included in the journal paper. WP4: Technical and economic feasibility assessment. The objective was to check the operation boundary analysis of the power converter at the system level, and the potential of the power converter for providing ancillary services. Outcome: The converter can provide a variety of ancillary services including controlled active and reactive power injection. The focus was the unbalanced generation of PV since this is probably the most challenging aspect of the concept. The results can be found in the journal paper that was part of PVBESS. Outcome: The dissemination for a wide audience was done in a final workshop and a blog.

Due to the uncertain nature of solar radiation, a steady power flow cannot always be guaranteed in a PV installation. Thus, various energy storage elements, such as batteries, can be integrated for supplying energy when the demand is needed. Centralized grid-connected converters are a matured technology for large PV installations because of its simplicity and relatively low price. However, centralized topologies have high harmonic content, a non-flexible design that can jeopardize the reliability, and low energy harvesting. Distributed grid-connected converter topologies can increase the reliability since multiple inverters are connected to PV cells and increase energy harvesting since every inverter can operate with an independent maximum power point tracking (MPPT). However, distributed topologies are normally installed in small PV installations because of the complexity of the circuit design. Modular multilevel converters (MMCs), which have recently become an established technology for HVDC applications, can facilitate the installation of distributed grid-connected converter topologies in large PV installations. MMC can offer modularity, scalability, low harmonic distortion, and high reliability also to PV applications. MMC has particular advantages for PV applications as each PV string can operate with an independent MPPT to maximize efficiency, and the PV system can easily reach medium voltage level. Several individual lower rated modules with inherent bypass feature in MMC improve the fault-tolerant capacity of the converter. The MMC topology is also very well suited for integrating batteries to the system, where batteries are used to form the dc link of each converter module. The proposed topology in this project is consists of an MMC-based interface for PV systems embedding a BESS. With the batteries in the system, another degree of flexibility is obtained. The SOC of batteries can be controlled by the PV system and the MMC converter.