Modelo dinâmico para operação de sistema de armazenamento de energia com baterias

Abstract

Resumo: A constante necessidade de novas fontes de energia para serem utilizadas nos sistemas de distribuição de energia elétrica, nos faz observar o crescimento veloz do uso de sistemas de armazenamento de energia, principalmente baterias. Isto por que, em determinados casos, a energia deve ser armazenada para ser usada posteriormente ou, quando não há conexão com o sistema elétrico, toda energia gerada por fontes alternativas deve ser armazenada em baterias e, hoje, as mais comuns para isso são as de íons de lítio. Para serem utilizadas nos sistemas de potência, as baterias devem ser modeladas de acordo com sua aplicação e simuladas em algum software para que seu comportamento em função da tensão ou estado de carga, por exemplo, seja previsto. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo dinâmico de operação de sistemas de armazenamento de energia por baterias (BESS) baseado em impedâncias, para avaliar como se comportam os níveis de tensão deste sistema após ser submetido a uma variação de corrente. Os tipos de modelagem para as baterias de íons de lítio foram abordados na revisão bibliográfica, provendo uma base sólida para a escolha do modelo baseado em impedância que foi utilizado. Após a escolha do modelo a ser utilizado, uma abordagem matemática utilizando as Leis de Kirchoff e equações de circunferência foi realizada nos processos de impedância eletroquímica para que a bateria utilizada fosse parametrizada e pudesse ser simulada no software MatLab®/Simulink®. Após a simulação do circuito equivalente baseado em impedância onde foi utilizada uma curva de corrente de carga/descarga elaborada especialmente para este caso, os resultados obtidos foram analisados. As conclusões comparativas sobre as percentagens de erro e diferenças entre as curvas foram apresentadas e o modelo aqui elaborado mostrou-se capaz de ser utilizado como um suprimento de energia em casos de peak shaving. Palavras-chave: Baterias de íons de lítio. Modelagem. Circuito equivalente. Espectroscopia eletroquímica de impedância. Aplicação em rede de distribuição de energia elétrica.

Abstract: The constant need for new energy sources to be used in electricity distribution systems, makes us observe the rapid growth in the use of energy storage systems, especially batteries. This is because, in certain cases, the energy must be stored to be used later or, when there is no connection to the electrical system, all energy generated by alternative sources must be stored in batteries and, today, the most common for this are the lithium ion ones. To be used in power systems, batteries must be modeled according to their application and simulated in some software so that their behavior depending on the voltage or state of charge, for example, is predicted. The objective of this work is to develop a dynamic operation model of battery energy storage systems (BESS) based on impedances, to evaluate how the voltage levels of this system behave after being subjected to a current variation. The types of modeling for lithium ion batteries were addressed in the literature review, providing a solid basis for choosing the impedance-based model that was used. After choosing the model to be used, a mathematical approach using Kirchhoff's Laws and circumference equations was performed in the electrochemical impedance processes so that the battery used could be parameterized and could be simulated in the MatLab® / Simulink® software. After simulating the equivalent impedance-based circuit using a load / discharge current curve designed especially for this case, the results obtained were analyzed. The comparative conclusions about the error percentages and differences between the curves were presented and the model elaborated here was able to be used as an energy supply in cases of peak shaving. Keywords: Lithium Ion Batteries, Modelling, Equivalent Circuit, Electrochemical Impedance Spectroscopy and Distribution Network Application