Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡ Facili.es ¡at ¡NREL ¡ ¡ Ben ¡Kroposki, ¡Ph.D., ¡P.E. ¡ Director ¡– ¡Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡ Na.onal ¡Renewable ¡Energy ¡Laboratory ¡ ¡ ¡
Why Energy Systems Integration? Future Energy Systems Current Energy Systems Reducing investment risk and optimizing systems in a rapidly changing energy world • New energy technologies and services • Increasing penetration of variable RE in grid • New communications and control models • Electrification of transportation • Integrating energy storage • Increasing system flexibility • Understanding interactions between electricity/thermal/fuels 2 ¡
NREL’s ¡Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡Facili.es ¡ • Energy ¡Systems ¡Integra0on ¡ Facility ¡(ESIF) ¡ • Distributed ¡Energy ¡Resources ¡ Test ¡Facility ¡(DERTF) ¡ • NWTC ¡– ¡Grid ¡Integra0on ¡Tes0ng ¡ • Thermal ¡Test ¡Facility ¡(TTF) ¡ • Vehicle ¡Test ¡and ¡Integra0on ¡ Facility ¡(VTIF) ¡ 3 ¡
ESIF ¡System ¡Integra.on ¡Capabili.es ¡ Energy ¡System ¡Research ¡and ¡Development ¡Across ¡Technologies ¡ Solar and Buildings Advanced Grid Energy Advanced Fuels Wind Planning Storage Vehicles and • Sensors and • CSP Thermal • H 2 /electric • Plug-in-hybrids • RE integration controls Storage interfaces Operations and vehicle-to- grid • Power • Design and • Utility scale • RE • Transmission integration batteries electrolyzers electronics • Battery thermal and Distribution management • Modeling • Distributed • Storage • Building Systems and storage. systems • Power integration • Smart Grid simulation electronics • Standards Technologies • Thermal and PV • System • Fuel cell • Microgrids integration system integration • Standards optimization • Fueling systems Full ¡systems ¡interface ¡evalua.on ¡for ¡integra.on ¡of ¡electricity, ¡fuels, ¡ thermal, ¡storage, ¡and ¡end-‑use ¡technologies ¡ 4 ¡
NREL’s Energy Systems Integration Facility (ESIF) • NREL’s largest R&D facility (182,500 ft 2 ) • Substantial completion by the end of 2012 • Space for 200 NREL staff and research partners • Focus of the ESIF is to conduct R&D of integrated energy systems (Electricity, Addressing ¡the ¡challenges ¡of ¡large-‑scale ¡ ¡ Fuels, Transportation, integra.on ¡of ¡clean ¡energy ¡technologies ¡ and Buildings & into ¡the ¡energy ¡systems ¡infrastructure ¡ ¡ Campus systems) 5 ¡
Energy Systems Integration Facility A unique national asset for energy systems integration R&D, testing, and analysis. WHOLE ¡BUILDING ¡ENERGY ¡GOAL ¡ 30% ¡BeSer ¡than ¡ASHRAE ¡90.1-‑2007 ¡ LABORATORIES HPC DATA OFFICES CENTER 6 ¡
ESIF ¡Office ¡Area ¡ 7 ¡
ESIF ¡High ¡Performance ¡Computer ¡and ¡Data ¡Center ¡ 8 ¡
ESIF’s Unique Advanced Capabilities � Petascale HPC and HPC ¡ data management system in showcase energy efficient data center. � Virtual utility operations center and visualization rooms. � Interconnectivity to external field sites for data feeds and model validation. 9 ¡
ESIF - Energy System Simulated Operations A ¡Flight ¡Simulator ¡for ¡Energy ¡System ¡Operators ¡ Opera.ons ¡techniques ¡ development ¡for: ¡ • New ¡systems ¡configura0ons ¡ • U0lity ¡or ¡fuel ¡supply ¡curtailments ¡ • High ¡renewables ¡penetra0ons ¡ • Extreme ¡weather ¡events ¡ • High ¡storage ¡penetra0ons ¡ • High ¡demand ¡response ¡ deployment ¡ • Resource ¡forecast ¡integra0on ¡ 10 ¡
ESIF ¡Tes.ng ¡Areas ¡ 11 ¡
ESIF ¡Laboratories ¡ Electrical ¡Systems ¡Laboratories ¡ Fuel ¡Systems ¡Laboratories ¡ ¡ 1. Power ¡Systems ¡Integra0on ¡ 9. Energy ¡Systems ¡Fabrica0on ¡ 2. Smart ¡Power ¡ 10. Manufacturing ¡ High ¡Performance ¡Compu.ng, ¡Data ¡ 3. Energy ¡Storage ¡ Analysis, ¡and ¡Visualiza.on ¡ 11. Materials ¡Characteriza0on ¡ 4. Electrical ¡Characteriza0on ¡ 16. ESIF ¡Control ¡Room ¡ 12. Electrochemical ¡ 5. Energy ¡Systems ¡Integra0on ¡ 17. Energy ¡Integra0on ¡Visualiza0on ¡ ¡ Characteriza0on ¡ 13. Energy ¡Systems ¡Sensor ¡ 18. Secure ¡Data ¡Center ¡ Thermal ¡Systems ¡Laboratories ¡ 14. Fuel ¡Cell ¡Development ¡& ¡ 19. High ¡Performance ¡Compu0ng ¡ 6. Thermal ¡Storage ¡Process ¡and ¡ Data ¡Center ¡ Test ¡ Components ¡ 20. Insight ¡Center ¡Visualiza0on ¡ 15. Energy ¡Systems ¡High ¡ 7. Thermal ¡Storage ¡Materials ¡ 21. Insight ¡Center ¡Collabora0on ¡ ¡ Pressure ¡Test ¡ 8. Op0cal ¡Characteriza0on ¡ 12 ¡
ESIF ¡Research ¡Electrical ¡Distribu.on ¡Bus ¡ 13 ¡
ESIF’s Unique Advanced Capabilities � Multiple parallel research electrical distribution busses (REDB) at MW power level with gird and load simulation. Device Under Test (DUT) Each relay shown includes 3 kW 15 kW integrated voltage and current sensing with communication to Load Load DUT the master SCADA Bank Bank ELGAR Grid Inverter #1 Simulator #1 AC Output REDB ¡ Power Electronics AC Bus Device #8 Configurable fused disconnect (FD) PAD1 PAD2 PAD3 PAD4 PAD5 PAD6 PAD7 PAD8 (“lug or plug”) FD FD FD FD FD FD FD FD AC Bus 1 Venus AC Bus 1 Mars PAB1 AC Bus 2 Venus AC Bus 2 Mars PAB2 AC Bus 3 Venus AC Bus 3 Mars PAB3 AC Bus 4 Venus AC Bus 4 Mars PAB4 FD FD FD FD FD FD FD FD Power Electronics AC Bus 4 Relay PAD9 PAD10 PAD11 PAD12 PAD13 PAD14 PAD15 PAD16 Power ELGAR Grid Electronics Test Simulator #2 Bench � Flexible interconnection points for electricity, thermal, and fuels to multiple labs. � Medium voltage (15kV) microgrid test bed. � Extensive selection of existing distributed energy systems and high power PV and wind simulation. 14 ¡
ESIF’s Unique Advanced Capabilities � Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) integrated throughout labs. � Smart grid testing lab for advanced communications and control. Hardware-in-the-loop simulation capability to test grid � scenarios with high penetration of renewables. 15 ¡
Power Hardware- and Systems-in-the-Loop Integrates Actual utility Utility Substation Component circuit model and systems PV Array testing at MW- Subdevelopment scale powers with PV at end of circuit with state-of- Visualization Unit under test Interface the-art electric HIL I/O Interface systems simulation and Simulation and Visualization at ESIF Load Banks visualization . Grid Simulator Inverter is replicated in Actual hardware at ESIF 100 homes on circuit Functioning systems with utility system simulations for real-time, real-power evaluation of high penetration deployment scenarios. 16 ¡
¡ ¡ ESIF ¡–Outdoor ¡Test ¡Areas ¡ ¡ 100kW ¡PV ¡Roodop ¡ H 2 ¡Storage, ¡ Test ¡Area ¡ Compression, ¡Fueling ¡ LV ¡Outdoor ¡Test ¡ MV ¡Outdoor ¡ Area ¡ Test ¡Area ¡ ESIL ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡ MV ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡ LV ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡ • H 2 ¡storage ¡vessels ¡ • 1MVA ¡13.2kV ¡to ¡480 ¡Y-‑Y ¡ • 80kW ¡and ¡125kW ¡Gensets ¡ transformers ¡ • H 2 ¡IC ¡engine ¡tes0ng ¡ • 100kW, ¡250kW ¡load ¡banks ¡ • Connec0ons ¡to ¡REDB, ¡U0lity ¡ • H 2 ¡Vehicle ¡fueling ¡sta0on ¡ • Capstone ¡Microturbine ¡ • Connec0ons ¡to ¡REDB ¡ ¡ 17 ¡
Distributed Energy Resources Test Facility (DERTF) DC ¡Bus ¡ – ¡Allows ¡up ¡to ¡ 10 ¡ DC ¡device ¡ (BaSery, ¡PV) ¡connec0ons ¡ Switch ¡Panel ¡ – ¡Computer ¡ controlled. ¡Allows ¡tester ¡to ¡easily ¡ AC ¡Bus ¡ (3Phase, ¡480V, ¡400A ¡rated) ¡– ¡Allows ¡up ¡to ¡ configure ¡systems. ¡Ability ¡to ¡run ¡3 ¡ 15 ¡AC ¡device ¡(inverters, ¡microturbine, ¡ ¡generators) ¡ independent ¡systems ¡ connec0ons ¡ simultaneously. ¡ 18 ¡
NREL ¡DER ¡Test ¡Facility ¡ IEEE ¡1547.1 ¡and ¡UL ¡1741 ¡Tes0ng ¡ • NREL also conducts testing for the development and validation of test procedures. This activity includes working with IEEE and UL. • The tests that can be conducted included validation of tests from IEEE 1547.1 “Standard for Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems”. – over/under voltage and frequency – loss of synchronism – limits for DC injection – Harmonics – surge capability – islanding – response to faults 19 ¡
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