Energy Management System in an Electrical Microgrid with Hybrid Storage and a Multi-Objective Approach

• Pérez Aballe, Osmany ^[2] ; Nicolas-Martin, Carolina ^[1] ; González-García, Jorge ^[1] ; Flores-Martín, Pablo ^[1] ; Santos-Martin, David ^[1]
  1. [1] Universidad Carlos III de Madrid

     Universidad Carlos III de Madrid

     Madrid, España

     
  2. [2] University of Moa, Department of Electrical Engineering, Holguín, Cuba
• Localización: Revista Politécnica, ISSN-e 2477-8990, Vol. 56, Nº. 1, 2025 (Ejemplar dedicado a: Revista Politécnica), págs. 47-58
• Idioma: inglés
• DOI: 10.33333/rp.vol56n1.04
• Títulos paralelos:
  • Sistema de Gestión de Energía en Microrred Eléctrica, con Almacenamiento Híbrido y Enfoque Multiobjetivo
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• Resumen
  • español

    Este artículo presenta un Sistema de Gestión de Energía (EMS) innovador para microrredes con almacenamiento híbrido (HESS), diseñado para optimizar el despacho de energía, reducir la degradación prematura de los dispositivos y asegurar la estabilidad de la tensión en el bus DC (±2 %) bajo perturbaciones estocásticas. El EMS, implementado en el entorno Stateflow de MATLAB/Simulink, utiliza un enfoque multiobjetivo que regula el bus DC, controla los límites de corriente en los HESS y compensa fluctuaciones ultrarrápidas (<500 ms) en generación y demanda. La validación combina simulaciones software-in-the-loop (SiL) y pruebas experimentales en un prototipo real, con ciclos de potencia dinámicos. Los resultados muestran que el EMS mantiene la tensión del bus DC en ±1,7 % de su valor nominal, redistribuye cargas sin superar los límites de corriente establecidos para cada elemento de almacenamiento y reduce el estrés en los componentes críticos en un 20 %. La coordinación jerárquica entre baterías de Li-ion y supercondensadores optimiza la vida útil del almacenamiento, priorizando los supercondensadores para transitorios rápidos y las baterías para demandas estables. Además, gestiona excedentes mediante exportación o disipación controlada para evitar sobretensiones en el bus de DC. La validación experimental corroboró el modelo teórico, lo que confirmó la robustez del EMS en microrredes aisladas o interconectadas, y su aplicación en la integración eficiente de fuentes renovables intermitentes, como los sistemas eólicos aerotransportados.

  • English

    This article presents an innovative Energy Management System (EMS) for microgrids with Hybrid Energy Storage Systems (HESS), designed to optimize power dispatch, minimize premature degradation of components, and ensure DC bus voltage stability (±2 %) under stochastic disturbances. The EMS, implemented in the MATLAB/Simulink Stateflow environment, adopts a multi-objective strategy to regulate the DC bus, manage current limits across the HESS, and compensate for ultra-fast fluctuations (<500 ms) in both generation and demand. Validation combines software-in-the-loop (SiL) simulations with experimental validation on a real prototype subjected to dynamic power cycles. Results demonstrate that the EMS maintains the DC bus voltage within ±1.7 % of its nominal value, reallocates loads without exceeding the defined current limits for each storage element, and reduces stress on critical components by 20 %. The hierarchical coordination between Li-ion batteries and supercapacitors extends storage system lifetime by prioritizing supercapacitors for fast transients and batteries for sustained power demands. Furthermore, the EMS handles energy surpluses through controlled export or dissipation, preventing overvoltages on the DC bus. Experimental validation confirmed the theoretical model, demonstrating the robustness of the EMS in both isolated and interconnected microgrids, as well as its effectiveness which enables the integration of intermittent renewable sources such as airborne wind energy systems.

     

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