Characteristics of electric batteries for residential use and better integration with the electric distribution system

Abstract

The purpose of this work is to study the characteristics of different battery technologies and the requirements of energy storage systems (ESS) for customer services in order to specify the parameters for an ESS which will operate in parallel with a grid. This work is addressed to end-use residential customers. To achieve this objective, a selection of the main battery technologies currently used were performed using the software ES-SELECT. The technologies evaluated in this work were: lead acid, and lithium ion. Using MATLAB/Simulink, two case studies with real data of temperature, irradiance and residential load behavior from Puerto Rico, were implemented in a scenario of a residential grid-tied PV system with batteries. First, we compared the performance of both battery technologies during a real blackout. Then, we analyzed the behavior of different battery banks when the system is grid-tied. We present a list of desired characteristics for a new battery technology combining the best attributes of each technology. Next, we compare the performance of the system using a single battery technology and using a hybrid battery bank that combines both Lead Acid and Lithium. Finally, we determined the associated monetary cost of the system using hybrid battery storage and compared it with the system using a single battery technology.

El propósito de esta tesis es estudiar las características de diferentes tecnologías de baterías y los requerimientos de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) para servicios de consumidores, con el fin de especificar los parámetros para un ESS que operará en paralelo con una red eléctrica. Este trabajo está dirigido para clientes residenciales. Para esto, se utilizó el software ES-SELECT para seleccionar las principales tecnologías de batería utilizadas actualmente. Las tecnologías evaluadas en este trabajo fueron: ácido de plomo e iones de litio. Se implementaron dos casos de estudios en MATLAB / Simulink con datos reales de temperatura, irradiación y comportamiento de carga residencial de Puerto Rico, en un escenario de un sistema fotovoltaico residencial con baterías conectado a la red. Primero, comparamos el rendimiento de ambas tecnologías de batería durante un apagón real. Luego, analizamos el comportamiento de diferentes bancos de baterías cuando el sistema está conectado a la red. Presentamos una lista de características deseadas para una nueva tecnología de batería que combina los mejores atributos de cada tecnología. A continuación, comparamos el rendimiento del sistema utilizando una tecnología de batería y un banco de baterías híbrido. Finalmente, determinamos el costo asociado del sistema utilizando el almacenamiento de batería híbrido y lo comparamos con el sistema utilizando una tecnología de batería.