Optimization of Hybrid Energy Storage Systems for Power Curve Smoothening at Grid Scale Optimisation des systèmes de stockage d’énergie hybride pour le lissage de la courbe de puissance à l’échelle du réseau

Abstract

Energy storage (ES) systems are capable of providing high-quality accurate services such as frequency regulation, peak shaving, and stability enhancement in power systems. The federal energy regulatory commission orders 755 and 784 pave a road for ES systems in providing such services in a competitive manner. In developing ES solutions for grid applications, often single-technology solutions are considered. Under certain conditions, a hybrid ES system (HESS) comprising different technologies might best provide expected services at the least annualized capital cost; an individual technology seldom provides all the desired characteristics at the least cost. In this work, an HESS is optimally designed at grid-scale for a desired performance at the least annualized capital cost. The design is constrained by requirements of the system and characteristics of an individual ES technology. The proposed HESS combines storage units based on lithium-ion batteries, flywheels, and ultracapacitors. A synthetic data set and Ontario power grid data are considered as candidate case studies seeking ES solutions. The proposed methodology optimally sizes HESS providing minimum cost. It is undoubtedly shown that in certain situations, HESS provides the least annualized costs in comparison to systems constructed out of a single technology. Résumé—Les systèmes de stockage d’énergie (SE) sont capables de fournir des services précis de haute qualité tels que la régulation de fréquence, l’écrêtement de pointe et l’amélioration de la stabilité des systèmes de réseaux électriques. Les ordonnances 755 et 784 de la Commission fédérale de réglementation de l’énergie ouvrent la voie aux systèmes de SE pour ce qui est de fournir de tels services de manière compétitive. Dans développement de solutions de SE pour les applications de réseau électrique, des solutions mono-technologiques sont souvent envisagées. Sous certaines conditions, un système de SE hybride (SSEH) comprenant différentes technologies pourrait mieux fournir les services attendus au plus bas cot d’investissement annualisé; une technologie individuelle fournit rarement toutes les caractéristiques souhaitées au moindre cot. Dans ce travail, un SSEH est conçu de manière optimale à l’échelle du réseau électrique pour une performance souhaitée au plus bas cot d’investissement annualisé. La conception est limitée par les exigences du système et les caractéristiques d’une technologie de SE individuelle. Le SSEH proposé combine des unités de stockage à base de batteries au lithium-ion, à volant d’inertie et d’ultracondensateurs. Un ensemble de données synthétiques et des données sur le réseau électrique de l’Ontario sont considérés comme des études de cas candidates à la recherche de solutions de SE. La méthodologie proposée permet de dimensionner de manière optimale le SSEH en fournissant un cot minimum. Il est indubitablement démontré que dans certaines situations, le SSEH fournit le plus bas cot d’investissement annualisé par rapport aux systèmes construits à partir d’une seule technologie.