design and hardware implementation of a cost-effective battery energy storage system

12
www.asse.org/ijpres International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 24 Design and Hardware Implementation of a CostEffective Battery Energy Storage System ChaoTsung Ma *1 , ChinLung Hsieh 2 1 Applied Power Electronics Systems Research Group, DEE, CEECS, National United University, #1 LienDa, KungChing Li, MiaoLi City, 36003, Taiwan 2 Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Taiwan * Corresponding author: ChaoTsung Ma, Tel: 88637381369; Fax: 88637327887 Email: [email protected] Received 9 April 2014; Revised 24 May 2014; Accepted 27 May 2014; Published 11 June 2014 © 2014 American Society of Science and Engineering Abstract This paper describes a design concept concerning the smart utilization of the power conversion system (PCS) in a battery energy storage system (BESS) widely used in advanced microgrid (MG) operations. In the proposed control scheme, besides the charging and discharging control functions, the BESS can be operated as an active power filter (APF) for harmoniccurrent compensation or as a static synchronous compensator (STATCOM) for voltage regulation in MG systems. Some gridscale BESS designed with unity power factor method are mainly for balancing the dynamic real power flow in critical MG operations via charging and discharging their battery banks. Under this application scenario, the average utilization rate of the BESS entire asset is normally very low. To eliminate this shortcoming, the proposed control scheme aiming at optimally using the BESS hardware system for multiple control functions is termed flexible battery energy storage system (FBESS). The FBESS attempts to utilize the available inverter capacity for accomplishing the additional APF and STATCOM functionalities via digital control techniques. In this paper, the mathematical model of FBESS and its related power flow controllers are firstly developed and a set of simulation studies on a simple MG network are then carried out in Matlab/Simulink software environment. Typical measured results on a dSPACE1104 based hardware system are presented with brief discussions to demonstrate the feasibility of the proposed control scheme. Keywords Flexible Battery Energy Storage System; Energy Conversion System; Renewable Energy; MicroGrid Introduction Renewable energy based distributed generations (REBDG) have been recognized to play an important role for the achievement of some energy policy goals, such as reduction in highpolluting power generations and global greenhouse gas emissions and improved diversity and security of energy supply. In recent years, the penetration level of REBDG has been rapidly increased [1]. Of the known REBDG systems, photovoltaic (PV) devices, wind turbine generators (WTG) and fuel cells (FC) systems are the most popular ones [2][4]. Based on the EPRI reports concerning research projects on the distributed generations (DG) and microgrids (MG), the development of highefficiency, costeffective devices and the design of intelligent control algorithms for advanced operations of MG systems are receiving a lot of attention. A basic MG system normally comprised of several REBDG units [5][6] working with a wide variety of renewable energy sources, local loads, energy storage systems and various advanced controllers to be operated in gridconnected or islanding operating modes. It has been well accepted that DG units and MG systems equipped with fastresponse compensators are important requirements to maintain the balance between the area load and generated power, and to guarantee the stability and quality of electrical power supply at an acceptable level. It is important to note that using DG and the concept of MG has a number of attractive advantages in many aspects; however, the real power output from most of micro sources are changing from time to time and thus cannot be precisely scheduled. In other words, from a system point of view the MG with renewable energy resources is not a completely controllable power source. To ensure a secure system operation and a highprofile power quality, suitable energy storage systems (ESS) with some advanced system control schemes and better coordination and communication systems will be required [7][8]. Conventionally, to minimize the adverse effects of the MG on the distribution system (DS) when there is a severe fault initiated on the MG side or a voltage dip/swell event a static switch (SS) is commonly used to disconnect the MG from the DS. This follows that some immediate control actions must be initiated and completed as desired to guarantee a successful seamless transferring process and an acceptable stability level of the system. To make the most benefits from applying the above mentioned concepts of using ESS and REBDG in MG, it is important and a vital need to develop feasible control schemes for better operating the MG

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

212 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

http://www.as-se.org/IJPRES/paperInfo.aspx?ID=16129 This paper describes a design concept concerning the smart utilization of the power conversion system (PCS) in a battery energy storage system (BESS) widely used in advanced micro-grid (MG) operations. In the proposed control scheme, besides the charging and discharging control functions, the BESS can be operated as an active power filter (APF) for harmonic-current compensation or as a static synchronous compensator (STATCOM) for voltage regulation in MG systems. Some grid-scale BESS designed with unity power factor method are mainly for balancing the dynamic real power flow in critical MG operations via charging and discharging their battery banks. Under this application scenario, the average utilization rate of the BESS entire asset is normally very low. To eliminate this shortcoming, the proposed control scheme aiming at optimally using the BESS hardware system for multiple control functions is termed flexible battery energy

TRANSCRIPT

Page 1: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

24     

Design and Hardware Implementation of a Cost‐Effective Battery Energy Storage System  Chao‐Tsung Ma*1, Chin‐Lung Hsieh2 1Applied Power Electronics Systems Research Group, DEE, CEECS, National United University, #1 Lien‐Da, Kung‐Ching Li, Miao‐Li City, 36003, Taiwan 2Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Taiwan *Corresponding author: Chao‐Tsung Ma, Tel: 886‐37‐381369; Fax: 886‐37‐327887 

E‐mail: [email protected] 

 Received 9 April 2014;  Revised 24 May 2014; Accepted 27 May 2014; Published 11 June 2014 © 2014 American Society of Science and Engineering  Abstract 

This paper describes a design concept concerning the smart utilization of the power conversion system (PCS) in a battery energy storage system (BESS) widely used in advanced micro‐grid (MG) operations. In the proposed control scheme, besides the charging and discharging control functions, the BESS can be operated as an active power filter (APF) for harmonic‐current compensation or as a static synchronous compensator (STATCOM) for voltage regulation in MG systems. Some grid‐scale BESS designed with unity power factor method are mainly for balancing the dynamic real power flow in critical MG operations via charging and discharging their battery banks. Under this application scenario, the average utilization rate of the BESS entire asset is normally very low. To eliminate this shortcoming, the proposed control scheme aiming at optimally using the BESS hardware system for multiple control functions  is termed flexible battery energy storage system (FBESS). The FBESS attempts to utilize the available  inverter capacity for  accomplishing  the  additional  APF  and  STATCOM  functionalities  via  digital  control  techniques.    In  this  paper,  the mathematical model of FBESS and  its  related power  flow controllers are  firstly developed and a  set of  simulation  studies on a simple MG network are  then carried out  in Matlab/Simulink software environment. Typical measured  results on a dSPACE1104 based hardware system are presented with brief discussions to demonstrate the feasibility of the proposed control scheme. 

Keywords 

Flexible Battery Energy Storage System; Energy Conversion System; Renewable Energy; Micro‐Grid 

Introduction

Renewable energy based distributed generations  (REBDG) have been  recognized  to play an  important  role  for  the achievement  of  some  energy  policy  goals,  such  as  reduction  in  high‐polluting  power  generations  and  global greenhouse gas emissions and improved diversity and security of energy supply.  In recent years, the penetration level of REBDG has been  rapidly  increased  [1]. Of  the known REBDG  systems, photovoltaic  (PV) devices, wind  turbine generators  (WTG)  and  fuel  cells  (FC)  systems  are  the  most  popular  ones  [2]‐[4].  Based  on  the  EPRI  reports concerning research projects on the distributed generations (DG) and micro‐grids (MG), the development of high‐efficiency,  cost‐effective  devices  and  the  design  of  intelligent  control  algorithms  for  advanced  operations  of MG systems  are  receiving  a  lot  of  attention.   A  basic MG  system normally  comprised  of  several REBDG  units  [5]‐[6] working with a wide variety of renewable energy sources,  local  loads, energy storage systems and various advanced controllers to be operated in grid‐connected or islanding operating modes.  It has been well accepted that DG units and MG  systems  equipped with  fast‐response  compensators  are  important  requirements  to maintain  the  balance between the area load and generated power, and to guarantee the stability and quality of electrical power supply at an acceptable level.  It is important to note that using DG and the concept of MG has a number of attractive advantages in many aspects; however, the real power output from most of micro sources are changing from time to time and thus cannot be precisely scheduled. In other words, from a system point of view the MG with renewable energy resources is not a completely controllable power source. To ensure a secure system operation and a high‐profile power quality, suitable  energy  storage  systems  (ESS) with  some  advanced  system  control  schemes  and  better  coordination  and communication systems will be required [7]‐[8]. Conventionally, to minimize the adverse effects of the MG on the distribution system (DS) when there  is a severe  fault  initiated on the MG side or a voltage dip/swell event a static switch (SS) is commonly used to disconnect the MG from the DS. This follows that some immediate control actions must be initiated and completed as desired to guarantee a successful seamless transferring process and an acceptable stability  level of the system. To make the most benefits  from applying the above mentioned concepts of using ESS and REBDG in MG, it is important and a vital need to develop feasible control schemes for better operating the MG 

Page 2: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    25 

both in grid‐connected and islanding operating modes.  

Recently, the fast development in energy technologies, power electronics and digital control technologies is providing better flexibility of using the above mentioned ESS in the ever‐changing power systems to not only increase electric energy production but also help to enhance the power system stability via better system control capability.   In the open literature, power quality control issues of the DG unit in MG operations have been addressed by a number of researches. In the aspect of power flow control and voltage regulation, some researches on line interactive inverters have  been  reported  [9]‐[11].  Issues  regarding  the  application  of  high‐efficiency,  grid‐level  battery  energy  storage systems (BESS) in MG are investigated in [12].  Of the reported control methods for BESS inverter systems, advanced charging and discharging controllers with high power factor have been investigated in [13].  This paper puts forward a design  concept  concerning  the  optimal  utilization  of  the  BESS  system  working  in  some  advanced  micro‐grid operations.    In  the proposed  control  scheme, besides  the  regulation of  charging  and discharging power  the BESS inverter can be simultaneously operated as an APF for current harmonics compensation of nonlinear loads and as a STATCOM  for reactive power compensation within  its rated capacity. Due to the  fact that the control functions of APF and STATCOM may be required 24 hours in a day the proposed design has the potential to provide additional financial benefits to the MG owners by allowing full utilization of the expensive asset of the BESS inverter systems.  It is  important to note that the proposed multifunctional BESS  inverter scheme has been practically constructed and tested  in the  laboratory of applied power electronics research group (APERG), National United University, Taiwan.  The following sections of the paper are organized as follows: following Section 1, the Section 2 briefly describes the concept of micro‐grid systems and its operating modes. Section 3 and 4 describe the controller design issues for the proposed FBESS system to be operated as a multifunctional power interface. Section 5 addresses system parameters and signals for controllers, while Section 6 presents the simulation and experimental test cases and typical results of various control functions based on a set of given system operating conditions. Finally, a brief conclusion is given in the last Section. 

PV

Wind

With 20 x 12V Battery Bank

BidirectionalInverter

#1

Local ESS

AC-DCConverter

Load #1

~

AC Grid

Load #2

NonlinearLoad

BidirectionalInverter

#2

Local ESS

DC-DCConverter

BidirectionalVSC

InverterFBESS

P1 , Q 1

P2 , Q2

Pn , Qn

P Q

P-QDistribution

P-QPower Decision

Power ManagementController

Operating Condition

SS

Micro-Grid

MGFeeder

HarmonicCurrents

P&Q

FIG. 1. SIMPLE SYSTEM DIAGRAM OF A MICRO‐GRID WITH VARIOUS DGS AND THE PROPOSED FBESS. 

Micro-Grid Systems

As electric distribution technology moves into the new era the requirements of energy delivery and management will be  very different. These differences  are being driven  from  both  the demand  side where higher  energy  efficiency, reliability and availability are desired, and from the utility side where the  integration of distributed generation and certain  advanced  energy  management  technologies  must  be  accommodated.  Distribution  systems  possessing distributed  generations,  energy  storage  systems  and  controllable  loads  with  the  ability  to  operate  in  both  grid‐connected and standalone modes are an important class of the so‐called MG systems [14]. A conceptual MG system configuration with  the proposed FBESS  installed  is shown  in Fig.  1.  It  is well known  that MG strives  for optimized operation  of  the  aggregated  distribution  systems  by  coordinating  the  DGs  and  load  resources  not  only  when 

Page 3: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

26     

connected to the main grid but also  in a stand‐alone mode.  In either modes of operation, advanced  local controls, energy  management  and  protection  technologies  are  required  for  robustness  and  reliability. While  the  power management criteria and control objective functions are developed based on the needs of each application, in general the overall objective is to optimize operating performance and cost in the grid‐connected mode, while ensuring the given performance requirements in the stand‐alone mode. 

FBESS Operating Principles And Control Methods

The operating principles and control concepts of  the proposed FBESS are actually derived  from  that of shunt‐type flexible ac  transmission  system  (FACTS) devices.  In  this paper, a basic FBESS configuration which consists of a 3‐phase converter using 6 IGBT devices is chosen to introduce the proposed control scheme and the FBESS operating principles. The 3‐phase voltage source converter (VSC) in the FBESS (Fig. 1) is designed to be operated from a DC link voltage provided by  a battery  bank.  In normal  operations,  the  active  power  can  be  controlled  in  either direction between the AC terminals of the converter and the grid to regulate the DC charging and discharging power of the battery bank. It  is clear that with this hardware topology, the converter can also generate or absorb reactive power independently  at  its AC output  terminals  to  affect  system  voltages or  simply  act  as  an APF.    In  this  study,  three control functions are designed for the FBESS, i.e. charging and discharging control, reactive power regulation for the MG and harmonic currents compensation for the local nonlinear load. The three control functions can be activated simultaneously or individually. Because the proposed control requirements (real/reactive power or harmonic currents) are directly related to the control of currents shunt connecting type is a reasonable choice. 

Design Issues of FBESS Controllers

Current  controlled  voltage  source  converter  (VSC)  is  normally  used  for  interfacing  the  shunt‐type  BESS  and distribution networks.  In  this study,  the command  signals  for  the FBESS, which are current signals  in nature, will include the information of charging and discharging power and reactive power demanded by the MG or the voltage fluctuation at load‐side and also harmonic currents if required. To allow for performing multifunctional control tasks, current  controlled VSC  is  selected  in  this  study  for  its  fast  dynamic  response,  accurate  performance  and  ease  of implementation.  The inner‐loop current control techniques of VSC used in this paper is based on analysis of voltage and current vector components in a special d‐q reference frame. To decompose voltage and current components in a rotating  reference  frame, calculation of  instantaneous  angle of voltage or  current  is needed. To obtain  this  angle, phase‐locked  loop  (PLL)  is  commonly  used  in  VSC's  control  loop  [15].  However,  employing  PLL  has  some disadvantages such as problems due  to synchronization of FBESS with  the grid and elimination of a wide range of frequencies which is not favourable in FBESS's applications as an APF. In addition, the PLL is very sensitive to noises and disturbances.  To solve this problem, in this paper, the synchronization algorithm uses the instantaneous angle of load  voltage  calculated  directly  by  decomposing  voltage  vector  components  in  a  stationary  reference  frame. Removing  PLL  from  control  circuit  of  current  controlled  inverter  also  presents  a  new  control  method  in  this application case. In this control strategy, synchronization problems will be resolved and dynamic response of FBESS can be improved. 

System Modelling and FBESS Control Systems

System Modelling 

To achieve a multifunctional control scheme, mathematical models concerning the voltage and current components of the FBESS inverter system are firstly derived in stationary reference frame.  Based on the detailed FBESS inverter circuit shown in Fig. 2, the relationships among voltage and current parameters can be expressed as follows: 

 

dC

N

dcV

A

B

C

1S

2S

3S

4S

5S

6S

L oaI

n

a

b

c

R

ocI

obI anV

cnV

bnV

FBESS

 

dC

N

dcV

A

B

C

1S

2S

3S

4S

5S

6S

L oaI

n

a

b

c

R

ocI

obI anV

cnV

bnV

 

dC

N

dcV

A

B

C

1S

2S

3S

4S

5S

6S

L oaI

n

a

b

c

R

ocI

obI anV

cnV

bnV

FBESS 

FIG. 2. FBESS INVERTER HARDWARE SYSTEM AND PARAMETERS. 

Page 4: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    27 

1 11

2 22 1 1

13 2 2

1 11

2 2

( )

Oa

AN an

ObBN bn R

CN cnOc

dIL

dt V VdI

L V V Vdt

V VdI

Ldt

                                                           (1) 

where, 

oa

R ob

oc

RI

V RI

RI

                                                                                         (2) 

Using the defined switching functions for the three‐phase PWM inverter shown in (3), the complete inverter model can be reached after some mathematical manipulations. 

1

12

1

cona

tmAN

dc conbBN

tmCN

conc

tm

V

VV

V VV

VV

V

V

                                                                               (3) 

For the convenience of taking derivative operations on the above mathematical models, (1) can be rewritten as (4) using (2) and (3).  

0 , , , ,pwm con ABC o abc o abc abc n

dK AV L I RI Av

dt                                                         (4) 

The A in the above equation is the constant matrix in (1) and the small signal model of the FBESS system (4) can be simply expressed as follows. 

0 , , , ,pwm con ABC o abc o abc abc n

dK AV L i Ri Av

dt                                                           (5) 

As addressed previously, the design of FBESS power flow controllers are based on the equivalent quantities in d‐q axis. Thus the (5) can be expressed in the following d‐q frame (6) on Park’s transformation theory. 

0

,

,

con d od oqpwm

con q oq od

od d

oq q

V i idK L L

V i idt

i vR

i v

                                                                    (6) 

In a synchronous rotating reference frame, when the d‐q output voltages of the FBESS  inverter are  in synchronous 

with  the  grid  voltages,  the  q‐axis  voltage  component  becomes  zero.  This  leads  to  the  following  results:  dv v , 

0qv  and (6) becomes the form of (7). 

00

,

,

con d od odoqpwm

con q oq oqod

V i ii vdK L L R

V i iidt                                                    (7) 

Finally, one can obtain the system model as shown in (8) and (9). 

1 , [( ) ]odcon d pwm od oq

diV K Ri L Li v

dt                                                               (8) 

1 , [( ) ]oq

con q pwm oq od

diV K Ri L Li

dt                                                                   (9) 

Page 5: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

28     

Based on the model derived in (8) and (9), the current commands for the real and reactive power flow control can be directly obtained as follows. 

0 ,pwm con d od oq odK V sLI LI RI V                                                                (10) 

0 ,pwm con q oq od oqK V sLI LI RI                                                                      (11) 

Choosing the  odI  and  oqI as the output variables, (10) and (11) can be expressed as follows. 

1 ,( )od pwm con d oqI K V V LI

sL R                                                                   (12) 

1 ,( )oq pwm con q odI K V LI

sL R                                                                          (13) 

To perform the function of load harmonic currents compensation, a simple low‐pass filter can be used to separate the fundamental  and  harmonic  components  in  load  currents  and  obtain  the  d‐q  axis  harmonic  components  to  be 

compensated. After all the current components are obtained in d‐q frame, *odI and *

oqI , the current commands (PWM 

signals) in three‐phase frame can be achieved by using the inverse Park’s and Clarke’s transformations as follows. 

1

01

1 2 3 2

1 2 3

2

32

*

*

*

*

*

/ /

/ /

a

b

c

oq

od

i

i

i

cos sin i

sin cos i

                                                                           (14) 

Based  on  the  above  derivation,  the  overall  FBESS  control  system  block  diagram with  system  parameters  can  be constructed as shown in Fig. 3. 

conavconbv concv

conqv condvOqi

OdicbOai ,,

cbLai ,,

Lqi

LdiLqhi

Ldhi

*Oqi

0qi

0di

cbOai ,,

fL fC

cbLai ,,

, ,ab bc cav cbSai ,,

AC Micro Grid

*Odi

*Q

Q

*(charging/discharging)P

(charging/discharging)P

 

FIG. 3. THE OVERALL FBESS CONTROL SYSTEM BLOCK DIAGRAM. 

Page 6: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    29 

Case Studies and Results

Simulation and Experimental Tests 

To simulate a realistic operation scenario in MG network, both of the linear and nonlinear loads may be connected or disconnected to the MG distribution network and the harmonic distortion of currents is varying with various load conditions. In this study, the load harmonics are set to be totally compensated by the FBESS when the APF function is activated. Since the principle of the proposed control technique used in FBESS is based on separating active and reactive current components  in rotating synchronous reference frame known as the d‐q components, in all test conditions only phase‐a parameters (voltage and current) of the AC grid are shown. To demonstrate the performance  of  the  proposed  FBESS  in  regulating  the  reactive  power  and  real  power  (charging/discharging currents), the related parameters of the power grid (MG) are shown. 

To  further  verify  the  performance  of  the  proposed  control  scheme,  the  FBESS  system  is  experimentally  tested  as configured in Fig.4. In the hardware setup, an industrial level digital controller (dSPACE1104) based 1kW three‐phase grid‐connected FBESS is constructed. Test conditions and parameters are the same as that used in simulation cases. All  the  required  controllers  proposed  in  this  paper  are  implemented with  dSPACE1104.  The  sensed  currents  and voltages acquired to the dSPACE1104 and the control signals output to the driving circuit are using home‐made signal acquisition circuits. Both of  the sampling  frequency and  the switching  frequency are set at 24 kHz.   The  following subsections present the results of simulation and experimental studies on the FBESS.  

The related system data concerning the FBESS and the arrangement of local load are given below. 

System capacity of the FBESS: 1 kVA 

Grid voltage: 110 V/60 Hz 

Inverter parameters: switching frequency: 24 kHz, output filter: 6 mH/ 4.7uF,  dcV =240 V, C= 1000 uF. 

P‐Q controllers: PI controllers, Kp: 0.005, Ki: 79.14 designed with dSPACE1104 control desk functions. 

Load: A set of nonlinear load, implemented by a three‐phase AC/DC rectifier with an output power of 500 W. 

Control  functions:  In  this  paper,  constant  charging/discharging  control,  reactive  power  tracking  and  APF functions are discussed. 

PC &dSPACE 1104

FBESS3L-6S

INVERTER

BatteryBank

Scope

FIG.4. THE EXPERIMENTAL SETUP OF DSPACE CONTROLLED FBESS. 

Results 

In  simulation  cases,  the  FBESS  link  is  connected  to  the power network  at  t=0.0  sec. At  this moment  a  full‐wave AC/DC  converter  with  an  output  of  500 W  is  added  to  PCC  and  it  follows  that  the  charging  (500 W)  and discharging (‐500 W) commands are initiated at the simulation times of t=0.35 sec. and t=0.55 sec. respectively. To test the feasibility of the FBESS in performing multiple control functions, a positive reactive power of 500 VAr and ‐500 VAr commands are initiated at the simulation times of t=0.4 sec. and t=0.6 sec. respectively. Fig.5 shows the tracking results of both the charging/discharging and the reactive power. As can be seen  in Fig. 5, there are nine 

Page 7: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

30     

time‐intervals in the complete simulation cycle.   The corresponding parameters of the battery bank are shown in Fig. 6. Fig. 7 shows a set of detailed voltage and current waveforms of the test system including the results when the APF function is ON and OFF. Fig. 8 shows the measured results with the same system and control arrangement as that presented in Fig. 5, while Fig. 9 and Fig. 10 respectively show the measured results with the same operating conditions presented  in  the simulation cases and  the results of Fig. 6 and Fig. 7.  It can be seen  from  the results presented  in  this  paper  that  after  the  connection  of  FBESS  link  and with  the multiple  control  function  being activated,  besides  the  charging/discharging  of  the  battery  bank  both  the  reactive  power  tracking  and  APF functions  can  be  carried  out  simultaneously  if  desired.  The  source  current  becomes  sinusoidal  after  the harmonic currents are fully compensated by the FBESS link, as shown in Fig.9 and Fig. 10.  

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8

-60

-40

-20

0

20

40

60

t(s):0.05S/div

* &Q Q

* &P P

P,Q

: 200 / : 200 /P W div Q V A R div

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8

-60

-40

-20

0

20

40

60

t(s):0.05S/div

* &Q Q

* &P P

P,Q

: 200 / : 200 /P W div Q V A R div

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

FIG. 5. THE TRACKING RESULTS OF THE CHARGING/DISCHARGING AND THE REACTIVE POWER. 

dcI

dcV

V,I

0 2dc dcV : 6 V / div I : A / div

t(s):0.05S/div

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

FIG. 6. THE CORRESPONDING DC VOLTAGE AND CURRENT OF THE BATTERY. 

0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / :5 /s sv V div i A div

(1) (2)

t(s):10ms/div

v,i

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / :5 /s sv V div i A div

(3) (4)

v,i

t(s):10ms/div                          (a) At the transition from (1) to (2) with APF:OFF.                                  (b) At the transition from (3) to (4) with APF:OFF. 

Page 8: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    31 

0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(5) (6)v,

i

t(s):10ms/div0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(7) (8)

v,i

t(s):10ms/div                             (c) At the transition from (5) to (6) with APF:OFF.                           (d) At the transition from (7) to (8) with APF:OFF. 

0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(1) (2)

v,i

t(s):10ms/div0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(3) (4)

v,i

t(s):10ms/div  (e) At the transition from (1) to (2).with APF:ON.                             (f) At the transition from (3) to (4).with APF:ON. 

0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(5) (6)

v,i

t(s):10ms/div0.6 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.7

-10

-5

0

5

10 sisv

:100 / : 5 /s sv V div i A div

(7) (8)

v,i

t(s):10ms/div  (g) At the transition from (5) to (6).with APF:ON.                            (h) At the transition from (7) to (8).with APF:ON. 

0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4

-10

-5

0

5

10 loadisv

:100 / : 5 /s loadv V div i A div

v,i

t(s):10ms/div  (i) The voltage and current waveforms of the nonlinear load. 

FIG. 7. A SET OF DETAILED VOLTAGE AND CURRENT WAVEFORMS (PHASE‐A) OF THE POWER GRID INCLUDING THE RESULTS WHEN THE APF FUNCTION IS ON AND OFF. 

Page 9: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

32     

t : 1s / div P : 250W / div Q : 250VAR / div

* &Q Q

* &P P

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

t : 1s / div P : 250W / div Q : 250VAR / div

* &Q Q

* &P P

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

 

FIG. 8. THE MEASURED TRACKING RESULTS OF BOTH THE CHARGING/DISCHARGING AND THE REACTIVE POWER. 

dcV

dcI

dc dct : 1s / div V : 90V / div I : 2A / div

(1) (2) (3) (4) (5)

(6) (7) (8) (9)

 

FIG. 9. THE MEASURED DC VOLTAGE AND CURRENT OF THE BATTERY. 

(1) (2) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

   

(3) (4) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(a) At the transition from (1) to (2) with APF:OFF.                                       (b) At the transition from (3) to (4) with APF:OFF. 

(5) (6) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(7) (8) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(c) At the transition from (5) to (6) with APF:OFF.                                           (d) At the transition from (7) to (8) with APF:OFF. 

Page 10: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    33 

(1) (2) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(3) (4) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(e) At the transition from (1) to (2) with APF:ON.                                          (f) At the transition from (3) to (4) with APF:ON. 

(5) (6) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(7) (8) sisv

s st : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(g) At the transition from (5) to (6) with APF:ON.                                        (h) At the transition from (7) to (8) with APF:ON. 

loadisv

s loadt : 10ms / div v : 90V / div i : 2.4A / div

 

(i) The measured voltage and current waveforms of the nonlinear load. 

FIG. 10. A SET OF MEASURED VOLTAGE AND CURRENT WAVEFORMS (PHASE‐A) OF THE POWER GRID INCLUDING THE RESULTS WHEN THE APF FUNCTION IS ON AND OFF. 

Conclusions

This  paper  has  demonstrated  a  cost‐effective  BESS  in  which multiple  control  functions  are  integrated  into  the proposed  FBESS  via  digital  control  techniques  to  increase  the  average  system  utilization  rate without  any  extra hardware units.   Unlike  the  conventional BESS designed with unity power  factor  for charging and discharging  its battery  bank  the  proposed  FBESS  designed  with  P‐Q  decoupled  control  scheme  can  be  utilized  as  an  APF  for harmonic currents compensation and a STATCOM for power factor correction of the local load or voltage regulation at the PCC.  It is important to note that as there are no filters used in the d‐q control loops of the designed FBESS link,  satisfactory  dynamic  response  can  be  achieved  in  performing  various  control  functions  of  FBESS  on conventional  PI  controllers.  Based  on  the  simulation  studies  with  a  simple  MG  network  carried  out  in Matlab/Simulink  software  environment and  experimental  tests on dSPACE1104 based  1kVA hardware  systems,  the 

Page 11: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

www.as‐se.org/ijpres                                                       International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014 

34     

proposed  design  concept  concerning  the  feasibility  and merits  of  optimal  utilization  of  the  three‐phase  inverter interfaced FBESS has been verified. 

ACKNOWLEDGMENT

The authors would  like  to acknowledge  the  financial  support of  the  Institute of Nuclear Energy Research  (INER), Atomic Energy Council, Taiwan R.O.C. for this study through: NL1021020. 

REFERENCES

[1] B.K.  Bose,  “Global  Energy  Scenario  and  Impact  of  Power  Electronics  in  21st  Century,”  IEEE  Transactions  on  Industrial 

Electronics, vol. 60 , no.7, pp. 2638‐2651, 2013. 

[2] A. Anantha and P.L.Chowhan, “Strategies for a nation‐wide survey of renewable energy resources available in each village in 

India,” Energy Conversion Engineering Conference, 1997. IECEC‐97, Proceedings of the 32nd Intersociety, vol.3, pp.2181‐2186, 

1997. 

[3] Y. Miyamoto and   Y. Hayashi,    “Evaluation of  improved generation efficiency  through  residential PV voltage  control of a 

clustered  residential  grid‐interconnected PV,”  Innovative  Smart Grid Technologies Conference Europe  (ISGT Europe),  2010 

IEEE PES , pp. 1‐8, Oct. 2010. 

[4] A. Askarzadeh and A. Rezazadeh, “An Innovative Global Harmony Search Algorithm for Parameter Identification of a PEM 

Fuel Cell Model,” IEEE Transactions Industrial Electronics, Vol.59, no.9, pp.3473‐3480, 2012. 

[5] A.Mehrizi‐Sani and R.Iravani,  “Potential‐Function Based Control of a Micro‐grid  in  Islanded and Grid‐Connected Modes,” 

IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 25 , No. 4, pp. 1883 – 1891, 2010. 

[6] N. Hatziargyriou, H. Asaano, R. Iravani, et al. ,“Micro‐grids,” IEEE Power and Energy Magazine, , Vol. 5, No. 4, pp. 78‐94, 2007. 

[7] K. Zhang, C. Mao,  J. Xie,  J. Lu, D. Wang,  J. Zeng, X. Chen,  and  J. Zhang,  “Determination of  characteristic parameters of 

battery energy storage system for wind farm,” IET Renewable Power Generation, Vol. 8, No. 1, pp. 22‐32, 2014. 

[8] J.D. Guggenberger, A.C. Elmore, J.L. Tichenor and M.L. Crow,  “Performance Prediction of a Vanadium Redox Battery for Use 

in Portable, Scalable Microgrids,” IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 3, No. 4, pp. 2109‐2116, 2012. 

[9] R. K. Varma, V. Khadkikar, and R. Seethapathy,  “Night  time Application of PV  solar  farm as STATCOM  to Regulate Grid 

Voltage,” IEEE Trans. Energy Conversion, vol.24, no.4, pp.983‐985, Dec. 2009. 

[10] C.L. Chen, Y. Wang,  J.S. Lai, Y.S. Lee,  and D. Martin,  “Design of Parallel  Inverters  for  Smooth Mode Transfer Microgrid 

Applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 25, no. 1, pp 6 ‐ 15, 2010. 

[11] R.  Majumder,  A.  Ghosh,  G.  Ledwich,  and  F.  Zare,  “Power  Management  and  Power  Flow  Control  With  Back‐to‐Back 

Converters in a Utility Connected Microgrid, ” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 25 , no. 2, pp 821 – 834, 2010. 

[12] J.Carr, J.C.Balda, and A.Mantooth, “A high frequency link multiport converter utility interface for renewable energy resources 

with integrated energy storage,” IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.3541‐3548, 12‐16 Sept. 2010. 

[13] N. Eghtedarpour, and E. Farjah,  “Distributed charge/discharge control of energy storages  in a  renewable‐energy‐based DC 

micro‐grid,” IET Renewable Power Generation, Vol. 8, No. 1, pp. 45‐57, 2014. 

[14] H. Nikkhajoei, and R.H. Lasseter,  “Distributed Generation  Interface  to  the CERTS Microgrid,”  IEEE Transactions on Power 

Delivery, Vol. 24, no. 3, pp 1598 ‐1608, 2009. 

[15] S. K. Chung,  “A phase  tracking system  for  three phase utility  interface  inverters,”  IEEE Transactions on Power Electronics, 

vol.15, no.3, pp.431‐438, May, 2000.  

Chao‐Tsung  Ma  received  his  B.S.  degree  in  Electrical  Engineering  from  the  National  Taiwan  University  of  Science  and Technology, Taipei, Taiwan R.O.C. in 1989 and his M.S. and Ph.D. degrees from the department of ECE, the University of Missouri, Columbia, USA  in  1992  and  the  department  of  EEE,  the University  of  Strathclyde, Glasgow, UK  in  2000  respectively. He  has become a member of IEEE since 2003. His employment experiences include the R&D engineer in GeoTech Company, Taiwan and many years  in teaching technical courses  in the  fields of power systems and applications of power electronics. He  is currently a member  in  the Editorial Board of 8  International  Journals,  i.e.,  IJPSO,  IJEEE,  IJEE,  IJARER, AJEEE,  IJTEPE, AIE and Frontiers  in 

Page 12: Design and Hardware Implementation of a Cost-Effective Battery Energy Storage System

International Journal of Power and Renewable Energy Systems Volume 1, 2014                                                       www.as‐se.org/ijpres 

    35 

Energy Research. He  is  also  the  head  of Applied  Power  Electronics  Systems Research Group  (APESRG)  in  the  department  of Electrical Engineering, CEECS, National United University, Miao‐Li, Taiwan. His special research fields of interest include applied power  electronics,  custom  power,  distributed  generations, micro‐grids,  power  quality,  power  system  control  and  flexible  ac transmission systems (FACTS). 

Chin‐Lung Hsieh is currently with the Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Taiwan R.O.C. His special research  fields of  interest  include  the design of grid‐scale battery energy  storage  systems  (BESS), vanadium  redox  flow battery (VRFB), application of hybrid ESS in distributed generations and micro‐grids.