Methodologies and experiences for design, planning and operation in Microgrid framework

The thesis aims to inspect various aspects concerning the Microgrid (MG), as a way to integrate distributed electricity generation technologies, storage and loads. In this framework, the energy management represents a remarkable issue both in grid connected and islanded mode. This action is typically performed in the MG in two stages: a day-ahead planning, called to determine generation profiles of controllable sources according to forecasts, and real time dispatching, in order to smooth out load variation and renewable power fluctuations. In a centralized control scheme, the SCADA system is in charge of this function. One of the main topics of this work is to draw up methodologies for day-ahead planning and operation of the Experimental MG realized at premises of the Power System Laboratory at Politecnico di Bari, including fuel-based and renewable production facilities, energy storage and loads. To this purpose, different procedures for day-ahead scheduling are proposed in Chapter 1, based on suitable models and according to specific operation strategies. The results of this step are validated by means of static and dynamic assessment. Moreover, experimental test of actual system operation according to planned power levels is provided. A further characteristic of a MG is the contemporary coverage of thermal and electric demand. In this multi-energy system, the flexibility and economic operation is provided through CHPs facility and energy storage systems. In Chapter 2, planning procedures involving models for integrated water-based thermal supply infrastructure and dealing with occupant thermal comfort are proposed. In particular, the influence of thermal and electric energy storage is investigated in day-ahead operation planning, and the behaviour of different heating sources and thermal storage is assessed through a detailed engineering model. The procedures are applied to a configuration of Experimental Microgrid with empowered thermal section. In Chapter 3, methodologies to deal with the diffusion of the Electric Vehicles (EV) are investigated. In particular, the integration of EV parking lot in MG as well as new concept of Electric vehicle supply infrastructure (EVSI) are evaluated. In the first case, the day-ahead planning of MG with a fleet of EV is investigated, focusing on interactions between EV aggregator and MG operator. In the latter, structures for AC and DC EVSI are presented, that include energy storage system, PV plant, charging points, also in V2G configuration and a common bus. In particular, the optimal design of an AC and DC EVSI is proposed, aiming at defining the size and technology of devices. The DC solution is designed on different configurations in order to realize a demonstrator in the Bari port area, in the framework of the CONNECT project, financed in the H2020 call ECSEL 2016.

Il presente lavoro di tesi si focalizza su diversi aspetti che riguardano le Microreti, viste come strumento per l’integrazione di tecnologie di generazione distribuita, sistemi di accumulo e carichi. In quest’ambito, sistemi che sovrintendono alla gestione dell’energia assumono notevole importanza, sia che la Microrete funzioni in modalità connessa alla rete sia in caso di funzionamento in isola. La gestione energetica si articola in due fasi: la pianificazione del giorno prima per il giorno dopo e il dispiacciamento in tempo reale. Nella prima, in funzione di informazioni previsionali si determina il profilo di generazione delle risorse controllabili mentre nella seconda possono essere effettuate regolazioni in linea sia per assorbire le variazioni non previste di generazione rinnovabile e carico, che per esercire il sistema in condizioni di sicurezza. In sistemi di controllo centralizzato, queste funzioni sono in carico al sistema SCADA. Uno dei principali obiettivi di questo lavoro è mettere a punto metodologie per la programmazione e l’esercizio della Microrete sperimentale realizzata presso il Laboratorio di Sistemi Elettrici per l’Energia del Politecnico di Bari, che include sistemi di generazione rinnovabile e a combustibile, sistemi di accumulo e carichi. A questo scopo, nel Capitolo 1 sono state elaborate diverse procedure per la programmazione del giorno prima, basate su modelli accurati dei singoli componenti e su specifiche strategie di funzionamento. I risultati di queste procedure, dopo una fase di validazione con verifiche statiche e dinamiche in ambiente simulativo, sono stati testati nell’esercizio della suddetta microrete sperimentale. Inoltre, una microrete può essere considerata un sistema multi-energetico dove i carichi elettrici e termici devono essere contemporaneamente soddisfatti in ogni istante, in modo flessibile ed economicamente conveniente. Questo risulta possibile attraverso l’impiego di sistemi cogenerativi e sistemi di accumulo. In questo ambito, nel Capitolo 2 sono state messe a punto procedure di programmazione di microreti che includono infrastrutture integrate di fornitura del calore per garantire il comfort termico degli occupanti. In particolare, sono state effettuare valutazioni dell’influenza dell’accumulo elettrico e termico all’interno di microreti e il comportamento di differenti sorgenti di calore e sistemi di accumulo termico attraverso un modello dettagliato del funzionamento interno. Queste procedure sono state applicate a una configurazione della microrete realizzata presso il Politecnico di Bari, al fine di valutare un futuro potenziamento della sezione di generazione del calore. Un ulteriore obiettivo del presente elaborato è l’integrazione dei veicoli elettrici sia in un contesto microrete che all’interno di infrastrutture integrate per la ricarica. In questo ambito, nel Capitolo 3 sono state proposte metodologie di pianificazione di microreti con flotte di veicoli elettrici, con un particolare focus sull’interazione tra un aggregatore di veicoli elettrici e l’operatore di una microrete. Inoltre, sono state definite le caratteristiche di infrastrutture per la ricarica di veicoli elettrici, che includono un sistema di batterie, un impianto fotovoltaico su pensilina, sistemi di ricarica per veicoli elettrici anche in configurazione V2G e un nodo di connessione comune, con realizzazioni della rete interna in corrente alternata o in corrente continua. In particolare, è stato valutato il dimensionamento ottimale di questa infrastruttura con l’obiettivo di definire la taglia e la tecnologia dei dispositivi. Sono state quindi valutate differenti configurazioni della soluzione in corrente continua per la realizzazione di un dimostratore nell’area portuale di Bari, nell’ambito del progetto CONNECT finanziato attraverso fondi H2020 nel bando ECSEL 2016.