Integrated Renewable Resources and Storage: Operation and Management

Et smartnett er et nettverk av enheter for produksjon, lagring og forbruk av energi. Sentralt i nettverket står et smart styringssystem som koordinerer produksjon og forbruk og kontinuerlig sørger for et optimalt samspill mellom enhetene i smartnettet slik at energikostnadene minimeres. Både India og Norge har ambisiøse og konkrete planer for økt utnyttelse av fornybare energikilder, særlig for vindkraft og solcellesystemer som en del av et smartnett. De to landene vil imidlertid ha ganske forskjellige forbruksprofiler, ettersom man i Norge bruker mye elektrisk energi på oppvarming, i motsetning til India hvor det brukes mer på nedkjøling. Utviklingen av et strømnett med en stor andel distribuert fornybar energiproduksjon krever at vi utforsker nye muligheter i skjæringspunktet mellom IKT, dataanalyse, nettsikkerhet og optimalisering av drift og styring. En betydelig forskningsinnsats er nødvendig for å integrere avansert analyse og modellering, storskala datainnsamling, simulering og systemintegrasjon. De viktigste problemstillingene som ble undersøkt i dette prosjektet var: (i) Hvordan oppnår man optimal styring av et smartnett samtidig som man ivaretar fleksibilitet (blant annet hos forbrukere) og tar hensyn til de begrensningene nettet er underlagt? (ii) Hvordan kan produksjon fra flere energikilder integreres og koordineres i et smartnett? (iii) Hvordan etablerer man samhandling og dynamikk mellom sammenkoblede energikilder i et smartnett? Følgende resultater ble oppnådd i prosjektet: 1. Det er utviklet et nytt design for DC-DC-omformere med flere innganger til bruk for integrering av flere energikilder, som f.eks. solceller og vindturbiner. Fokus har vært på å redusere antall komponenter samtidig som spenningsforsterkningen er økt og styringskompleksiteten er redusert. De foreslåtte omformerne er analysert teoretisk, verifisert numerisk og validert eksperimentelt ved bruk av testutstyr hos Universitetet i Agder. 2. Omformerne fra prosjektet kan integreres med flernivå invertere for å lette overgangen fra sentrale til distribuerte genereringssystemer i framtidens smarte nettverk. 3. Ikke-isolerte DC-DC-omformere med flere porter og bipolare utganger er utviklet for DC mikronettverk, med høy spenningsforsterkning, lav styringskompleksitet og modulbasert oppbygning, slik at antall innganger kan økes uten begrensninger. 4. Det er utviklet et en optimaliseringsmetodikk for å evaluere effekten av ulike energipolitiske virkemidler og strømpriser på optimal design og drift av energisystemer i bolighus, der energisystemet består av solceller, batterier og bergvarme. Metodikken ble anvendt på ulike varianter av en enebolig på Sørlandskysten. 5. Monte-Carlo type simuleringer ble brukt til å vise at verken batterier eller de forbedrede prediksjonene av elektrisitetsbruk og solcelleproduksjon som er mulig med smarte målere i seg selv var økonomisk lønnsomme for typiske strømpriser, prissystemer og elektrisitetsbruk i Norge i 2022.

The key outcomes of the project, namely, methods of optimal design and operation of detached house energy systems can be extendable minimize energy use or cost for not only households but also in food industry while proposed multiport converters for integrating renewable energies to smart grids, control methods of grid-connected converters can be appliable to electrified transports, technology-intensive oil and gas, offshore and marine industries in Norway. The developed multiport converters will recommend next generations in smart grids, electrified transport, energy systems, contributing to the goal nr. 9 Industry, Innovation, and Infrastructure, while developed optimised energy methods and integrated converters will improve resource use and reducing city pollution in the goal Nr. 11 - Sustainable Cities and Communities.

A smart grid is a networked group of distributed energy sources with the goal of generating, converting and storing energy, delivering the energy to end users efficiently. The full advantage of smart-grid technologies can be achieved only with smart control mechanisms, capable to manage and coordinate distributed energy systems so as to minimize the costs of energy production, conversion and storage. The development of a future power system with a high share of renewable energy and active participation of distributed energy resources needs focus on exploring the new possibilities of ICT, data analysis, optimal operation, control and protection of network. Significant research will be needed towards integration of control for networked embedded systems, large scale monitoring, simulation, high-performance analysis and cross-layer (with cyber layer with physical layer of renewable resources) modelling and integration. In both countries, there are very ambitious and concrete plans for the development of renewable resources, especially solar PV system and operation of power system as a smart grid. The energy usage profile is however opposite of the profile in India, since electric energy in Norway is mainly used for heating purposes, whereas India uses it mainly for cooling. The study in the proposal will address the following issues: • Enhancement in resilience and reliability under stochastic supply and demand with renewable energy resources operating at distribution network. • Establishment of secure communication and data handling in the system due to (i) privacy issues and (ii) risk of cyber attacks. • Design of optimal architecture addressing complexity of diversified energy resources, including storage and its demand response management • Development of optimal control strategy including (a) optimizing global grid performance (state information) with limited communications, (b) voltage and frequency control for grid stabilization.