Modeling Power Grid with Battery Storage for BELD Power Demand

Abstract

El almacenamiento de energía constituye una solución necesaria para afrontar el gran reto al que se enfrenta nuestro planeta: la creciente demanda de energía per cápita pronosticada para los cien próximos años. Supone, no sólo un aumento de la eficiencia de la red eléctrica, sino también el impulso necesario para que las energías renovables tengan un papel relevante en la generación de energía.

Comenzaremos analizando el estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía en el mundo y describiendo el funcionamiento de las más utilizadas, su coste y diversas características específicas. A continuación, nos centraremos en las baterías, opción más desarrollada tecnológicamente. Se expondrán los requisitos para su aplicación a la red eléctrica, así como los principales tipos de baterías utilizados para dicho fin.

Más tarde nos centraremos en el presente proyecto, que tiene como objetivo construir una red eléctrica a pequeña escala (10Vrms, 60Hz) con un sistema de baterías integrado, con el fin último de analizar diferentes tipos de baterías. El cliente de dicho proyecto es Braintree Electric Light Department, compañía eléctrica situada en Braintree, Massachusetts, Estados Unidos.

A continuación, se describirán los objetivos y requisitos del proyecto, y se explicará detalladamente el diseño, desarrollo e implementación de sus cuatro subsistemas: generación y distribución, resistencia variable, sistema de instalación de baterías y sistema de adquisición y display de datos. Especial énfasis se hará en el modelo de la curva de demanda de la red, eje primordial sobre el que girará el presente documento. Se hará un recorrido por todos los niveles del diseño, desde las ideas iniciales hasta la PCB final; así como el código programado para tal efecto.

Por último, se analizará el trabajo realizado y los resultados obtenidos, y se compararán con los objetivos y requerimientos iniciales del proyecto; proponiendo diversas medidas de mejora.

Storage energy technologies constitute an essential solution to face the challenge our planet faces: the sharp growth in energy demand per capita forecasted over the next hundred years. They suppose, not only an increase in efficiency of energy production and use, but also the support renewable energy needs to play a significant role in the global generation mix.

We will start by analyzing the current state of energy storage technologies in the world and describing their operation, their cost and several specific characteristics. Next, we will focus on batteries, most popular and technologically matured storage option. The requirements for their application in the utility grid will be explained, as well as the main battery chemistries utilized for this purpose.

Later, the project will be described. It aims to build a scaled down power grid (10Vrms, 60Hz) with battery storage integrated, in order to test different battery chemistries. The customer of this project is Braintree Electric Light Department, a utility company located in Braintree, Massachusetts, US.

Next, the main objectives and requirements of the project will be described. It will be explained in detail the design, development and implementation of the four different subsystems of the project: generation and distribution, variable load, battery installation system and data acquisition and display. Special emphasis will be made in the model of the electricity demand curve of the grid, principal axis of the present document. We will go through all design levels, from initial ideas to the final PCB, as well as through the programmed code for the mentioned purpose.

Finally, the work done and the results obtained will be analyzed, and compared to the initial objectives and requirements of the project, suggesting several improvements.