Modeling design and performance evaluation of battery energy storage systems based on modular multilevel converter

Abstract

O sistema de armazenamento de energia de bateria baseado em conversor modular multinível (\textit{MMC-based BESS}) pode desempenhar um papel importante quando aplicado a sistemas de energia, por exemplo, estabilizando e melhorando a qualidade da energia. A associação das baterias com o MMC pode ocorrer de duas formas: centralizada ou distribuída. Na configuração centralizada, o banco de baterias é conectado no barramento cc do MMC. Já na configuração distribuída, o banco de baterias é conectado em cada submódulo (SM) do MMC. Neste trabalho, o foco é na configuração distribuída. Dentro da configuração, distribuída o banco de baterias pode ser associado ao SM de duas formas: estágio único e dois estágios. Para a abordagem de único estágio, as baterias são conectadas diretamente aos SM do MMC. Já na abordagem de dois estágios, o conversor cc-cc realiza a interface entre as baterias e o MMC. Essas duas configurações já estão consolidadas na literatura. No entanto, existe uma lacuna em termos de projeto, otimização de custos e estratégia de controle dos sistemas MMC-based BESS. A metodologia é baseada em determinar um valor ideal de tensão para os SM para que em um determinado intervalo de tempo, os custos do MMC-based BESS sejam mínimos. Além disso, de forma a diminuir o sobredimensionamento de energia disponível em um projeto, este trabalho propõe duas soluções: a padrão (do inglês, \textit{standard}) que são os projetos realizados com banco de baterias comerciais e as customizadas (do inglês, \textit{customized}) que são os projetos com banco de baterias formado por células. O estudo de caso proposto analisa um sistema de 10.9 MVA/5.76 MWh conectado à uma rede de 13.8 kV, que fornece serviços auxiliares, principalmente nos horários de ponta. Diferentes tensões de bloqueio nominais são assumidas para os dispositivos semicondutores. Além disso, diferentes estados de carga máximos e mínimos permitidos (SOC) são adotados no projeto do conversor. A metodologia proposta também pode ser usada para encontrar a combinação ótima dos números de bateria e do transistor bipolar de porta isolada (IGBT) com base em um determinado conjunto inicial. Desta forma, esta tese de doutorado visa preencher esta lacuna, fornecendo as seguintes contribuições: (i) comparação de topologias mais adequadas para a associação de baterias; (ii) proposta de uma metodologia para estimar as perdas de energia do sistema; (iii) análise da vida útil das baterias (iv) análise comparativa dos custos para as duas abordagens e (v) metodologia para realizar o controle e os ajustes nos ganhos dos controladores para MMC-based BESS de um e dois estágios. Para o projeto em estudo os resultados apontaram a melhor opção de um estágio composto de baterias na solução customizada.