Modelo de degradación de batería de li-ion para aplicaciones en microrredes eléctricas

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Resumen

Non-conventional sources of energy, such as photovoltaic energy and wind energy, constitute the beginning of the transformation of the traditional energy system, moving from centralized generation away from consumption centers, to a system with distributed generation, which is closer to final loads, and a more diverse energy matrix that reduces dependence on a few energy sources. One of the ways in which non-conventional sources of energy can be integrated into the traditional system of generation-transmission/distribution of electrical energy are electrical microgrids. Electrical microgrids are controllable and manageable systems where non-conventional energy sources, loads and storage systems interact through interfaces made up of power electronics devices. Storage systems in electricity microgrids are key to the balance between energy generation and consumption, stability, system autonomy, storage and subsequent sale of surplus generation, among others. Depending on the technology used to store the energy, storage systems can be divided into electrical, mechanical, electrochemical, and chemical. Batteries are a form of electrochemical storage system, there are different types of batteries used in electrical microgrids, such as lead acid batteries and lithium-ion (Li-ion) batteries, the latter offering high power and energy density characteristics compared to other types of batteries. One of the great challenges of electrochemical systems is the degradation they suffer over time, this variable directly impacts electrical microgrids in terms of reliability and stability. In this research project a Li-ion battery degradation model is proposed in the context of an electrical microgrid, the model is based on a NARX neural network which was trained with a set of data available in the literature, the same set of data allows to determine the circuit parameters of a battery circuit model that serves as a connection between the microgrid model and the degradation model. The proposed Li-ion battery degradation model was evaluated by finding an error of less than 2%, considering the MAE (mean absolute error) and RMSE (root mean square error).

Descripción

Las fuentes no convencionales de energía, como la energía fotovoltaica y la energía eólica, constituyen el inicio de la transformación del sistema energético tradicional, al pasar de una generación centralizada y alejada de los centros de consumo, a un sistema con generación distribuida, la cual está más cerca de las cargas finales, y una matriz energética más diversa que reduce la dependencia a unas pocas fuentes de energía. Una de las formas en las que las fuentes no convencionales de energía se pueden integrar al sistema tradicional de generación - transmisión/distribución de energía eléctrica son las microrredes eléctricas. Las microrredes eléctricas son sistemas controlables y gestionables donde las fuentes no convencionales de energía, las cargas y los sistemas de almacenamiento interactúan a través de interfaces conformadas por dispositivos de electrónica de potencia. Los sistemas de almacenamiento en las microrredes eléctricas son clave para el balance entre la generación y consumo de energía, la estabilidad, la autonomía del sistema, el almacenamiento y posterior venta de excedentes de generación, entre otros. Según la tecnología utilizada para almacenar la energía, los sistemas de almacenamiento pueden dividirse en eléctricos, mecánicos, electroquímicos y químicos. Las baterías son una forma de sistema de almacenamiento electroquímico, existen diferentes tipos de baterías utilizadas en microrredes eléctricas, como por ejemplo beterías de plomo ácido y baterías de ion de litio (Li-ion), estas últimas ofrecen características de alta densidad de potencia y energía en comparación con otros tipos de baterías. Uno de los grandes retos de los sistemas electroquímicos es la degradación que sufren con el tiempo, dicha variable impacta directamente en las microrredes eléctricas en términos de confiabilidad y estabilidad. En este proyecto de investigación se propone un modelo de degradación de batería de Li-ion en el contexto de una microrred eléctrica, el modelo está basado en una red neuronal NARX la cual se entrenó con un grupo de datos disponible en la literatura, el miso grupo de datos permite determinar los parámetros circuitales de un modelo circuital de batería que sirve de conexión entre el modelo de microrred y el modelo de degradación. El modelo de degradación de batería de Li-ion propuesto es evaluó encontrando un error menor a 2%, considerando el MAE (error absoluto medio) y RMSE (raíz del error cuadrático medio).

Palabras clave

Batería de ion de litio, Microrred, Aprendizaje automático, Estimación de capacidad, Envejecimiento, Degradación

Materias

Maestría en Ingeniería - Énfasis en Ingeniería Electrónica -- Tesis y disertaciones académicas , Sistemas eléctricos , Baterías de litio -- Almacenamiento de energía , NARX -- Redes neurales , Ingeniería electrónica

Citación