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Advisor(s)
Abstract(s)
A presente dissertação de mestrado tem como objectivo o estudo de uma solução autónoma e independente da rede para o arranque de uma central termoeléctrica de ciclo combinado (procedimento designado como black-start), bem como o de permitir o chamado controlo primário de frequência. A solução faz uso de um conjunto de baterias de iões de lítio como forma de energizar os serviços auxiliares e, consequentemente, iniciar todo o processo de arranque do conjunto gerador turbina com vista à respectiva energização da rede eléctrica de jusante. O mesmo conjunto de baterias é, também, utilizado para efeitos de controlo primário de frequência. É analisado o contexto mundial do ponto de vista da produção de energia eléctrica, onde se inclui o tipo de fonte de energia utilizada bem como é feita uma previsão no que diz respeito ao que se espera vir a ser a tendência no que diz respeito à produção de energia eléctrica nos próximos anos. Com base nessas previsões são identificados os principais desafios assim como possíveis medidas de mitigação. São abordados os chamados serviços de sistema indicando a importância das funções de black start e de controlo de frequência. Adicionalmente são também abordadas diversas tecnologias de armazenamento de energia identificando as suas principais características e valências. Por fim, e tendo em conta um caso em concreto de uma central de ciclo combinado, é feito um estudo relativo à integração de um sistema de armazenamento de energia com recurso a baterias de iões de lítio com vista a permitir que a central em causa desempenhe funções de black-start e de controlo primário de frequência. Desse estudo fará parte não só o dimensionamento do equipamento do ponto de vista da sua potência e capacidade, mas também fará parte uma estimativa do valor do equipamento em causa.
The aim of this master's thesis is to present an autonomous and grid-independent solution for the start-up of a combined cycle thermoelectric power plant (procedure known as black-start), as well as to allow the so-called primary frequency control. The solution makes use of a set of lithium-ion batteries in order to energize the auxiliary services and, consequently, to be able to initiate the start-up process of the generator-turbine set in order to energize the downstream electric network. The same battery pack is also used for primary frequency control purposes. The world context, in terms of electricity production, is analyzed including the type of energy source used and a forecast is made of what is expected to be the trend in the electricity production in the upcoming years. Based on these forecasts, the main challenges and possible mitigation measures are identified. The so-called ancillary services are addressed showing the importance of the black-start capability as well as the frequency control. After, several energy storage technologies are addressed, and its main characteristics and strengths are identified. Finally, and considering a specific case of a combined cycle power plant, a study is carried out for the integration of an energy storage system using lithium-ion batteries to allow the power plant to perform a black-start as well as the primary frequency control. This study will include not only the dimensioning of the equipment, but also an estimation of the value of the selected equipment.
The aim of this master's thesis is to present an autonomous and grid-independent solution for the start-up of a combined cycle thermoelectric power plant (procedure known as black-start), as well as to allow the so-called primary frequency control. The solution makes use of a set of lithium-ion batteries in order to energize the auxiliary services and, consequently, to be able to initiate the start-up process of the generator-turbine set in order to energize the downstream electric network. The same battery pack is also used for primary frequency control purposes. The world context, in terms of electricity production, is analyzed including the type of energy source used and a forecast is made of what is expected to be the trend in the electricity production in the upcoming years. Based on these forecasts, the main challenges and possible mitigation measures are identified. The so-called ancillary services are addressed showing the importance of the black-start capability as well as the frequency control. After, several energy storage technologies are addressed, and its main characteristics and strengths are identified. Finally, and considering a specific case of a combined cycle power plant, a study is carried out for the integration of an energy storage system using lithium-ion batteries to allow the power plant to perform a black-start as well as the primary frequency control. This study will include not only the dimensioning of the equipment, but also an estimation of the value of the selected equipment.
Description
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Keywords
Baterias de lítio Central de ciclo combinado Energia Black-start Serviços auxiliares de rede Battery energy storage system Lithium batteries Combined cycle power plant Energy Auxiliary grid services
Citation
MORAIS, Frederico José de Oliveira Baptista de – Análise dos sistemas de armazenamento de energia com base em baterias no desempenho de centrais termoelétricas de ciclo combinado. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2022. Dissertação de Mestrado.
Publisher
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa