Evalua&ons  of  Smart  Power  Applica&ons    at  NREL  

 James  Cale,  Ph.D.  

Manager,  Distributed  Energy  Systems  Integra;on  (DESI)  Group    

Ben  Kroposki,  Ph.D.,  P.E.  Director,  Energy  Systems  Integra;on  

   

2  

Layered  Energy  System  Integra&on  Capability    

•  Market  Layer,  responsible  for  addressing  economic,  op;miza;on,  regulatory,  financial,  and  policy  aspects  of  the  system  and  its  environment.  

 •  System  Control  Layer,  responsible  for  the  

system  level  concerns  of  security  and  reliability  of  a  collec;on  of  connected  devices  interconnected  to  hos;ng  infrastructures.  This  layer  includes  monitoring,  system  es;ma;on,  energy  network  security  assessment,  etc.  

 •  Cyber  Layer,  including  communica;ons,  

informa;on  and  computa;on  plaLorms,  necessary  to  support  control  applica;ons  at  the  system  level.  

 •  Local  Control  Layer,  consis;ng  of  the  

electromechanical,  electronic  or  soMware  based  modules  necessary  to  control  a  single  device  (in  the  Device  Layer)  in  a  stand-­‐alone  manner.    

•  Device  Layer,  consis;ng  of  the  physical  energy  devices  that  produce,  consume,  store  or  transport  energy  (e.g.  high  voltage  wires,  a  wind  turbine  and  generator,  a  baPery,  a  pipe,  the  power  elements  of  a  transformer,  a  refrigerator  motor,  or  a  dishwasher).  

3  

NREL  Smart  Power  Tes&ng  Facili&es  

•  Energy  Systems  Integra&on  Facility  (ESIF)  

–  MW-­‐scale  tes;ng  capability  –  Low    (600V  and  under)  and  Medium  

Voltage  (15kV  and  under)  outdoor  tes;ng  –  Flexible  connec;ons  for  electrical,  

thermal,  and  fuel  infrastructure    

•  Na&onal  Wind  Technology  Center  (NWTC)  

–  7MVA  hybrid  microgrid  tes;ng    –  Access  to  MW  scale  wind  turbines  –  MV  distribu;on  system,  fault  tes;ng    

•  Distributed  Energy  Resources  Test  Facility  (DERTF)  

–  Tes;ng  microgrids  up  to  200kW  –  Grid  simulators,  load  banks,  actual  wind  

turbines  and  PV  systems  available  

4  

Energy  Systems  Integra&on  Facility  Laboratories  

Electrical  Systems  Laboratories  1.  Power  Systems  Integra;on  2.  Smart  Power  3.  Energy  Storage  4.  Electrical  Characteriza;on  5.  Energy  Systems  Integra;on  

5  

Flexible  Connec&ons  and  Opera&ons  

6  

Equipment  for  Microgrid  Tes&ng  in  ESIF    

AC  Grid  Simulator  •  1  MW,  600  V,  5  wire  •  Bi-­‐direc;onal  •  Independent  Phase  Control  

U&lity  Connec&on  •  600  V  (250  or  1600  A  bus)  •  13.2  kV  (Medium  Voltage  

Outdoor  Test  Area)  

AC  Grid  Simulator  

Photovoltaic  Array  Simulator  •  1.5  MW,  1000  V  •  Emulate  a  variety  of  PV  modules  

under  specific  input  condi;ons  •  Evalua;on  using  standards  such  

as  EN50530  

DC  Power  Supply  

PV  Array  Simulator  

•  500  kW,  900  V  •  Bi-­‐direc;onal  

AC  

Load  Banks  •  1  MW,  RLC,  fine  resolu;on  steps  

DC  

7  

Power  Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop  at  ESIF

7

8  

Microgrid  Tes&ng  at  NWTC  (up  to  7  MVA)    

Adding  a  load  bank  in  future  will  enable  full  microgrid  tes&ng  

9  9  

Thank  You!!    

James  Cale,  Ph.D.    Manager,  Distributed  Energy  Systems  Integra;on    

(303)  384-­‐7923  james.cale@nrel.gov  

 Martha  Symko-­‐Davies,  Ph.D.  

 Business  Development  Manager,  ESI    (303)  384-­‐6528  

martha.symko.davies@nrel.gov  

10  

Infrastructure  for  Tes&ng  at  ESIF  

Fuels  Distribu&on  Network  •  Hydrogen  •  Natural  Gas  •  Diesel  

Research  Electrical  Distribu&on  Bus  (MW)  DC  (+/-­‐  500  V)  •  250  A  •  1600  A  

AC  (600  V,  5  wire)  •  250  A  •  1600  A  

Thermal  Distribu&on  Bus  •  Primary  Chilled  •  Secondary  Chilled  •  Heated  

11  

ESIF  Smart  Power  Laboratory  (SPL)  •  Connec;on  to  3  Smart  Homes,  smart  u;lity  meters,  simulated  

occupancy    •  Two  environmental  chambers    •  Grid  simulator  for  full  wave  harmonics  at  power