Operation and dynamics of cogeneration in microgrids : Mitigation of the challenges with uninterruptible power systems
Kosonen, Ilari (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20201230103005
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20201230103005
Tiivistelmä
This thesis analyzes the challenges of distributed combined heat and power (CHP) in microgrids and utilizes uninterruptible power systems (UPS) to mitigate the problems. The objectives are to examine the system’s operational and dynamical stability when the microgrid is islanded, find configuration parameters for the UPS grid regulation, and assess the overall feasibility of different CHP and UPS combinations.
The research consists of a literature review, CHP supplier interviews, modeling and simulation, and profitability assessment. The primary challenges of CHP in islanded microgrids are slow adjustability, leading to problems in meeting power generation and load, and the low rate of change of frequency (ROCOF) toleration of 2.0 Hz/s. UPS can meet the load imbalances and ensure low ROCOF, but the CHP technologies with small inertia or long time constants will require more continuous support during islanded.
Feasible CHP and UPS systems in under the 5 MW power range are biomass-fueled organic Rankine cycle and gasification technologies, and gas-powered spark-ignition engine. The biomass-fueled systems are especially profitable if the peak operating time is high and all thermal energy can be utilized efficiently. Työssä analysoidaan hajautetun sähkön ja lämmöntuotannon (CHP) haasteita mikroverkoissa ja hyödynnetään keskeytymättömiä virransyöttöjärjestelmiä (UPS) ongelmien lieventämiseksi. Tavoitteena on tutkia järjestelmän toimintakykyä ja vakautta mikroverkon saarekekäytössä, löytää konfigurointiparametrit UPS:n verkkotuelle, ja arvioida eri CHP- ja UPS-yhdistelmien toteutettavuutta.
Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta, CHP-järjestelmätoimittajien haastatteluista, mallintamisesta ja simuloinnista sekä kannattavuuden arvioinnista. CHP:n ensisijaiset haasteet saarekeverkoissa ovat hidas säädettävyys, mikä johtaa ongelmiin tuotannon ja kulutuksen tasapainottamisessa, ja taajuuden muutosnopeuden (ROCOF) matala 2.0 Hz/s sietokyky. UPS pystyy vastaamaan sähköjärjestelmän epätasapainoon ja varmistamaan alhaisen ROCOF:n, mutta vähäisen inertian tai pitkät aikavakiot omaavat tekniikat tarvitsevat jatkuvatoimisempaa tukea saarekekäytössä.
Toteutettavissa olevat alle 5 MW:n tehoalueella toimivat CHP- ja UPS-järjestelmät ovat biomassapohjaiset orgaaniseen Rankine prosessiin ja kaasutukseen perustuvat tekniikat, ja kaasukäyttöinen kipinäsytytteinen iskumäntämoottori. Biomassaa käyttävät järjestelmät ovat erityisen kannattavia, jos huipunkäyttöaika on korkea ja kaikki lämpöenergia saadaan hyödynnettyä tehokkaasti.
The research consists of a literature review, CHP supplier interviews, modeling and simulation, and profitability assessment. The primary challenges of CHP in islanded microgrids are slow adjustability, leading to problems in meeting power generation and load, and the low rate of change of frequency (ROCOF) toleration of 2.0 Hz/s. UPS can meet the load imbalances and ensure low ROCOF, but the CHP technologies with small inertia or long time constants will require more continuous support during islanded.
Feasible CHP and UPS systems in under the 5 MW power range are biomass-fueled organic Rankine cycle and gasification technologies, and gas-powered spark-ignition engine. The biomass-fueled systems are especially profitable if the peak operating time is high and all thermal energy can be utilized efficiently.
Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta, CHP-järjestelmätoimittajien haastatteluista, mallintamisesta ja simuloinnista sekä kannattavuuden arvioinnista. CHP:n ensisijaiset haasteet saarekeverkoissa ovat hidas säädettävyys, mikä johtaa ongelmiin tuotannon ja kulutuksen tasapainottamisessa, ja taajuuden muutosnopeuden (ROCOF) matala 2.0 Hz/s sietokyky. UPS pystyy vastaamaan sähköjärjestelmän epätasapainoon ja varmistamaan alhaisen ROCOF:n, mutta vähäisen inertian tai pitkät aikavakiot omaavat tekniikat tarvitsevat jatkuvatoimisempaa tukea saarekekäytössä.
Toteutettavissa olevat alle 5 MW:n tehoalueella toimivat CHP- ja UPS-järjestelmät ovat biomassapohjaiset orgaaniseen Rankine prosessiin ja kaasutukseen perustuvat tekniikat, ja kaasukäyttöinen kipinäsytytteinen iskumäntämoottori. Biomassaa käyttävät järjestelmät ovat erityisen kannattavia, jos huipunkäyttöaika on korkea ja kaikki lämpöenergia saadaan hyödynnettyä tehokkaasti.