Hybrid Energy Storage System for Renewable Power Grid

Thumbnail Image

Files

Hakuni_Pihla_2025.pdf (768.72 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-29

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

22

Series

Abstract

In renewable power system, power production is fluctuating, and energy must be stored to ensure power quality. Energy storage devices are classified into high-power and high-energy devices. High-power devices can supply power in sudden changes in power system but not long-term energy. High-energy devices can instead supply long-term energy, but they cannot react to sudden changes. To have both advantages, high-power and high-energy devices are combined into hybrid energy storage system (HESS). This thesis tries to discover if HESSs are necessary in renewable power grids. The objective is supported by the review of the components of HESS and assessing the topologies. The work is conducted as a literature review. An example of HESS is considered where a lithium-ion battery works as a high-energy device and a supercapacitor as a high-power device. The devices can be combined with three different topologies, where the number of the DC-to-DC converters varies: the parallel-passive, the semi-active (cascade) and the parallel-active topology. The parallel-active is considered the best topology. Compared to a single battery energy storage system (BESS), the HESS supplies power more reliably and with higher quality. The BESS instead has lower costs and higher efficiency. Usually, the quality of power is prioritized over the costs. Thus, the implementation of the HESS is advantageous. Yet, it should be further investigated, if the investment in the HESS is profitable, and if the BESS can supply sufficient power quality with supplementary applications of the HESS.

Uusiutuvassa sähköjärjestelmässä tuotetun sähkön määrä ja laatu vaihtelevat. Energiaa täytyy varastoida, jotta sähkön saatavuus ja laatu voidaan turvata. Energiavarastot jaetaan teknologioiltaan kahteen kategoriaan: sellaisiin, joilla on suuri tehotiheys (engl. high-power) ja sellaisiin, joilla on suuri energiatiheys (engl. high-energy). Suurtehoiset teknologiat pystyvät reagoimaan sähköverkon taajuuden nopeisiin muutoksiin, mutta ne eivät pysty tarjoamaan energiaa pitkäkestoisesti. Sen sijaan suurenergiset teknologiat voivat tarjota energiaa pitkiäkin aikoja, mutta ne eivät pysty reagoimaan verkon muutoksiin nopeasti. Jotta sähköjärjestelmällä olisi molempien teknologioiden edut, suurtehoinen ja suurenerginen teknologia yhdistetään hybridienergianvarastointijärjestelmäksi (engl. hybrid energy storage system, HESS). Tämä kandidaatintyö pyrkii selvittämään, onko HESS tarpeellinen uusiutuvissa sähköverkoissa. HESSin komponentteja ja topologioita tarkastellaan sekä topologioiden soveltuvuutta arvioidaan. Lopulta HESSiä verrataan yksittäiseen energianvarastointijärjestelmään (engl. energy storage system, ESS). Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena. Esimerkkinä HESSistä esitellään järjestelmä, jossa litiumioniakku toimii suurenergisenä teknologiana ja superkondensaattori suurtehoisena teknologiana. Teknologiat voidaan yhdistää kolmella eri topologialla, joissa DC/DC-muuntimien lukumäärä vaihtelee. ”Parallel-passive” -topologiassa ei ole muuntimia, ”semi-active” -topologiassa (kaskadi) on yksi muunnin ja ”parallel-active” -topologiassa on kaksi muunninta. Työssä huomataan, että vain parallel-active-topologia mahdollistaan HESSin jännitteen riittävän säätelyn. Kun HESSiä verrataan yksittäiseen akku-ESSiin, HESS syöttää sähköä verkkoon luotettavammin ja laadukkaammin. Akku-ESSin etuja ovat edullisuus ja tehokkuus. Yleensä sähköverkoissa sähkön laatua pidetään kuitenkin tärkeämpänä kuin sen edullista hintaa. Sen perusteella HESSiin investoiminen olisi tarpeellista. Vielä tarvitaan lisää tutkimusta siitä, voisiko HESSiin investoiminen olla taloudellista ja riittäisikö akku-ESSin syöttämän sähkön laatu, jos järjestelmää tuettaisiin HESSin muilla sovelluksilla.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Pouresmaeil, Edris

Keywords

energy storage system, hybrid energy storage system, lithium-ion battery, supercapacitor, power grid

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506034181

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC