APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

The hydrogen-based economy emerges as a promising option that promises to revolutionize our energy landscape. This thesis aims to uncover the complexities of this transformation, guided by the principles of the energy trilemma: energy security, energy equity (affordability), and environmental sustainability.The problem addressed in this thesis is the challenge of integrating hydrogen into Germany's energy system to meet its ambitious climate neutrality goals by 2045. This issue is significant due to the critical need for innovative solutions in energy generation, storage, and distribution to achieve sustainability and carbon neutrality. The need to study these supply chains interactively by balancing the complexity of energy security, affordability, and environmental sustainability makes this a suitable challenge for a Master's thesis project. Despite extensive research, a comprehensive solution that addresses these three pillars simultaneously has notyetbeenrealized. Toaddressthisproblem, weemployacombination of analysis and modeling. We explored the system-wide implications of hydrogenproduction, imports, andsectoralintegration, focusing on optimizedinfrastructure planning and cost dynamics in the transport sector. Our methodology included simulations and scenario-specific analyses to provide a holistic assessment of hydrogen integration for Germany's energy transition. Our results demonstrate that the integration of hydrogen into the energy system can be challenging and requires system-wide planning. Key conclusions indicate that leveraging both domestic production and imports, optimizinginfrastructure, andpromotinghydrogentechnologiesinthetransport sector are crucial to achieving Germany's climate goals. This study also provides information on the deployment of renewable energy solutions, enabling more reliable and cost-effective energy systems. Future research can build upon these findings to further enhance hydrogen integration and explore its applications in various sectors, ensuring a brighter and more sustainable future for generations to come.

Aquest treball es centra en la simulació i anàlisi d'un aerogenerador de tipus 4 amb filosofia de disseny grid-following, posant especial atenció en la seva integració a la xarxa elèctrica i en l'impacte que té sobre les oscil·lacions inter-àrea. Per assolir aquest objectiu, s'ha implementat un model detallat en Matlab/Simulink que inclou l'anàlisi dels controls de potència activa i reactiva, així com la resposta del sistema davant pertorbacions en la xarxa. Els resultats obtinguts demostren que els aerogeneradors amb capacitat grid-following no mostren afectacions a l'estabilitat de la xarxa i l'esmorteïment d'oscil·lacions de baixa freqüència. A més, s'ha verificat que el disseny òptim dels seus llaços de control millora la sincronització i la robustesa davant fluctuacions de càrrega i generació. Finalment, el treball inclou un estudi econòmic i ambiental que posa en relleu la via- bilitat de la implementació d'aquesta tecnologia, destacant-ne els beneficis a llarg termini en termes d'eficiència energètica i sostenibilitat. En conjunt, el projecte evidencia que els aerogeneradors de tipus 4 poden esdevenir una solució clau per a la transició energètica, garantint xarxes més resilients i segures.

Globally, the energy-intensive building, particularly residential and commercial, contributes significantly to environmental pollution through fossil fuel consumption and green house gas emissions. Rising demand of energy leads to increase prices, inducing frequency and voltage deviations that impact electric grids. Urgent measures, including adopting innovative technologies, are imperative to mitigate climate change effects and achieve zero Carbon Dioxide (CO2) emissions. In this context, we focus on the synergistic potential of rooftop Photovoltaic (PV) systems to cost-effectively address residential-scale energy challenges and reduce emissions. We design a grid-connected solar PV with Battery Backup (―PV+BB‖) system in bidirectional mode for the environment of Barcelona, Spain. The economic viability of this ―PV+BB‖ system relies on effective energy dispatching schedules, considering diverse load profiles, system sizes, generation patterns, degradation data, and utility rates. We employ two heuristic dispatch strategies; manual and automatic dispatchs (peak shaving & retail rate) within the System Advisor Model (SAM) tool to evaluate energy dispatching strategies under different utility rates. The integrated algorithm is tested with a nonlinear generic electrochemical battery model. The study aims to contribute insights into optimizing residential energy consumption by giving priority to the cheapest energy source and reducing energy bills through strategic technology integration. The findings indicate that the retail rate dispatch algorithm excels over SAM‘s current algorithms, especially in situations where managing demand charges and energy trading are critical, and when dealing with substantial battery degradation costs. This underscores its efficacy in optimizing energy usage and reducing operational expenditures in residential environments. Overall, this setup can significantly reduce CO2 emissions. By not only lowering energy costs but also minimizing carbon emissions, it has a positive environmental impact.

This study investigates the performance of a hybrid floating platform equipped with Point Absorber Wave Energy Converters (PAWECs). It provides an in-depth analysis of the platform's dynamics, WEC efficiency, and overall power production capabilities. A thorough literature review on floating offshore wind turbines, wave energy converters, and hybrid systems forms the theoretical basis. Metocean data from a selected site in the Irish Sea is analyzed to identify key factors affecting performance. A comprehensive design of the Hybrid Floating Wind-Wave Platform (HFWWP) is developed using SolidWorks, and a hydrodynamic analysis is performed using Ansys AQWA to model the platform's response to waves. These simulations are validated against experimental data. Time-domain analysis using WEC-Sim is carried out to simulate power generation under varying wave conditions. Key findings include a significant reduction in pitch motion with the integration of WECs, which improves platform stability. The Response Amplitude Operator (RAO) results showed that the addition of WECs dampened surge and pitch motions, enhancing overall platform stability. Additionally, the optimal Power Take-Off (PTO) damping coefficient was identified, maximizing energy production across different sea states. The research concludes that hybrid floating platforms hold strong potential as a sustainable and efficient renewable energy solution.

This thesis presents an optimization framework designed to integrate renewable energy sources (RES) into existing electrical grids, focusing on reducing operational costs, managing congestion, and ensuring grid stability. The framework evaluates the impact of integrating wind, solar energy, and energy storage systems (ESS) into the Barcelona region's electrical grid. The key objective is to minimize total system costs while meeting grid constraints such as transmission line capacities and demand variability. The thesis develops and implements a linear optimization model using Python-based tools like scipy.optimize.linprog for optimization and pandapower for power flow simulations to ensure grid reliability. The study considers four different scenarios: a baseline with no renewables, peak load shifting, integrated renewable energy (wind and solar), and renewables coupled with energy storage. In each scenario, energy dispatch is optimized to minimize operational expenditures, taking into account congestion issues that occur when line loadings exceed 80%. The baseline scenario serves as a reference, relying solely on nuclear and Combined Cycle Gas Turbine (CCGT) plants. Peak load shifting attempts to reduce costs by shifting demand from peak to off-peak periods, while the integration of renewable energy introduces variability that requires additional grid management strategies. The final scenario, which includes energy storage, demonstrates the potential for stabilizing the grid by storing excess renewable energy during low demand periods and dispatching it during peak hours. Results from power flow simulations highlight the benefits of integrating RES, particularly when paired with ESS, which reduces the need for expensive backup generation and lowers overall system costs. However, challenges such as wind energy curtailment due to grid congestion persist, even after grid upgrades. The thesis concludes that while renewable integration with storage can enhance grid flexibility and reliability, further advancements in grid infrastructure and demand response strategies are necessary to fully harness renewable potential.

This master's thesis focuses on the study of the electrical grid of Molokai Island, in the state of Hawaii, USA. Specifically, following the objectives set by The Molokai Community Energy Resilience Action Plan (CERAP), this work investigates the possibility of transitioning to a high penetration of renewable energy (RE). The study is intended to cover two main parts: in the first, an optimization-based algorithm is developed to size the main components of the electri- cal grid, while in the second, a dynamic model of Molokai's grid is developed to study how to control a system dominated by renewable energy resources. Thus, the objective is to provide a broad picture of the challenges involved in the renewable energy transition on a small island such as Molokai. The optimization algorithm is implemented in a linear fashion over a time horizon of 25 years, and the involved technologies—photovoltaic energy (PV), diesel energy, batteries (BESS), and pumped-hydro—are modeled and sized according to an economic-based cost function. After- wards, the renewable penetration is constrained to higher percentages, illustrating how the price increases exponentially with renewable energy deployment. To mitigate this price increase, flexible electric vehicles (EVs) are modeled and implemented in the optimization to deliver ad- ditional grid services. The results are compared with the initial scenario to demonstrate the convenience of this additional asset. Once again, renewable energy penetration is progressively increased to show how EVs can facilitate a higher integration of renewable energy into the grid at accessible costs. Specifically, it is shown how RE deployment can be pushed up to 95% with an accessible cost of investment. In the second part of the study, the dynamic model of the grid is developed by modeling the main components of the network, such as PV, batteries, transformers, transmission lines, loads, and converters. Particular emphasis is given to the control of the converters, which play a cru- cial part in the efficient and safe operation of the electrical grid. The two main control strategies, grid-following and grid-forming control, are introduced and analyzed in detail, and through- out the text, the importance of these controls is evidenced and clarified. Finally, the overall dynamic model of the island is tested for two cases: a simulation of a cloud cover and a load change. From this second part of the thesis, valuable insights into renewable- energy-dominated electrical grids are developed through an initial analysis of the requirements of the control structures necessary in this challenging scenario.

The renewable energy sources (RESs) integration into power grid (PG) have increased enormously in recent years. The power generating units (PGUs) are connected to the grid network with the support of power electronics (PEs) converters, specifically in wind power plants (WPPs). These PEs have made it possible to connect energy sources that do not produce energy at an industrial frequency (50 Hz or 60 Hz) with conventional transmission and distribution systems, by matching the system's frequency. Due to the nature of electronic switching elements used in converters, the voltage and current waveforms at their terminals is imperfect, which is usually represented as harmonic injections derived as a sum of the resulting Fourier transform of the total values seen from the converter. Due to the presence of enough resistive loads and natural damping of conventional power plants in the conventional power system, potential resonance frequencies can be damped, ensuring stable operation. However, harmonic stability and resonance oscillations have posed a more significant challenge for integrating renewable energy sources into the power grid as they decrease overall inertia and damping [1], [2]. The dynamic interaction of wind turbine (WT) converters with other devices within the existing grid is not just a concern, it's a complex challenge that can significantly impact the operation and stability of WPP [3]. A so-called harmonic interaction can lead to power curtailment, equipment deratings, malfunction of protection systems, and voltage and current oscillations in WPPs as well as the wider system. The resonance phenomena that WPPs experience, particularly when the grid is relatively weak, can be represented as a small phase margin in the system, potentially amplifying harmonic content or causing severe oscillation effects at specific frequencies and operating conditions [1], [2], [3]. In order to perform harmonic stability studies on such interconnected systems, several methods have been devised, which include small signal stability analysis in frequency- domain and time-domain analysis. The state-of-the-art frequency-domain analysis methods include impedance-based stability study, transfer function-based analysis, and passivity-based analysis [2]. Impedance-based stability analysis is an effective method where only frequency-dependent impedances of different components of the WPPs and the grid are required to perform the analysis. This method allows the modeling of different components as black box in order to conduct the studies independent of prior knowledge about WTs' parameters from manufacturers [2]. According to the impedance-based analysis, the ratio of the grid output impedance to the converter system input impedance for the interconnected system should meet the Nyquist stability criterion [4]. This method offers several advantages. It provides information about the phase and gain margins of the system, highlighting the critical frequencies that can cause issues [1], [2], [4]. This project aims to create a generic tool to perform harmonic stability studies in a wind farm and investigate the harmonic stability of one example system. It will also provide us with the foundational information required to identify the potential critical frequencies causing harmonic stability issues. This, in turn, will allow us to calculate potential margins and provide a basis to create a standardized way of doing these studies within the Vattenfall organization, leading to more efficient and stable windfarm operations.

El projecte d'instal·lació de la OPS (“Onshore Power Supply” o Subministrament d'Energia des de Terra) al moll Sant Beltran del Port de Barcelona consisteix en la connexió a xarxa elèctrica de bucs ferris quan es trobin aturats a port. La funció d'aquest sistema és reduir l'impacte mediambiental que produeixen aquestes naus durant l'estança a port. En l'actualitat, aquest tipus de navilis alimenten la seva demanda elèctrica a base de motors de combustió auxiliars (motors propis de la nau), consumint combustibles fòssils com MDO (“Marine Diesel Oil” o Diesel Marí) a més de produir molèsties degut al soroll generat per el funcionament d'aquests motors. El sistema OPS acaba amb aquestes dos problemàtiques connectant la nau a la xarxa elèctrica terrestre. Gràcies a això els motors poden deixar de funcionar, reduint l'impacte mediambiental i sonor. Els objectius principals del present treball són l'anàlisi del Projecte Pilot real i en construcció de Subministrament Elèctric a Bucs Ferris al Port de Barcelona, així com realitzar un estudi mediambiental per determinar si l'estalvi d'emissions és o no significatiu. L'anàlisi del projecte OPS es realitza descrivint les característiques dels principals elements de la instal·lació planejada, dissenyada seguint les recomanacions de la norma “IEC/IEEE 80005-1: 2019 Utility connections in port” [1]. Aquest anàlisi inclou una descripció de la obra civil a realitzar, la qual abasta l'excavació de rases i arquetes per a la canalització de línies entre elements, el disseny de les malles de posada a terra i l'adequació del terreny per a dur a terme la obra. Els principals elements del Projecte de Subministrament Elèctric a Bucs Ferris al Port de Barcelona es descriuen a continuació: - Punt de connexió a xarxa elèctrica local: Consisteix en un Centre de Seccionament que deriva la tensió de xarxa fins al sistema. - Subestació OPS: Centre de transformació i conversió per adaptar-se a les necessitats del navili. La tensió normalitzada per a bucs ferris és de 6,6 kV per a una potència de 2,5 MVA i 11 kV per a una potència de 4 MVA, mentre que la freqüència pot ser de 50 o 60 Hz. - Caixes de connexió: Es plantegen dues JB (“Junction Box/es” o Caixes de Connexió) en el límit dels molls 19A i 19B. Aquestes s'encarreguen de rebre els cables de Potència, Baixa Tensió i Fibra Òptica des de la Subestació OPS per a poder ser gestionats per el CMS (“Cable Management System” o Sistema de Gestió de Cables). - Sistema de Gestió de Cable: El CMS consisteix en carro autopropulsat amb braç Pàg. 4 Memòria grua per apropar el cable d'alimentació amb connector a la nau. En l'apartat de càlculs es segueixen els procediments descrits en els documents de diferents normatives i es comprova que els materials seleccionat (cablejat, transformador de serveis auxiliars, etc.) i el disseny de les malles de posada a terra són adequats, segurs i compleixen amb les especificacions necessàries. Per a diluir si la instal·lació del sistema OPS en qüestió comporta una significativa reducció d'emissions, es calculen de forma teòrica les tones d'òxid de nitrogen (NOx), partícules en suspensió (PM) i diòxid de carboni (CO2) estalviades anualment. El càlcul es realitza seguint la “Guia metodològica per a quantificar les emissions dels bucs en els ports” [2] arribant a un resultat de 17,48 t de NOx, 0,46 t de PM i 128,01 t de CO2. En conclusió, l'anàlisi del projecte OPS mostra la complexitat dels sistemes “Onshore Power Supply” i la quantitat d'elements i conceptes que s'han de tenir en compte i coordinar per a dur a terme un projecte d'aquestes característiques. A pesar de la complexitat, l'elevat cost (4,1 M€) i poc abast en quant a quantitat de bucs a alimentar, es considera que el projecte OPS del Port de Barcelona és viable a futur. El disseny del sistema facilita les futures ampliacions que resoldrien els problemes de falta de potència i poca quantitat de punts de connexió. Recordem que el present projecte és un pilot, és a dir, plantejat com a prova de testeig. L'anàlisi mediambiental indica un estalvi d'emissions raonable de 292 tones en dos anys sumant els tres emissors estudiats. Tot i que l'estalvi dels contaminadors ambientals NOx i PM (els quals són els més perjudicials en espais com ports) és menor al previst, augmentarà amb les ampliacions abans mencionades.

Aquest treball de fi de màster investiga el paper dels convertidors multiport (MPCs) en la millora de la resiliència i l'eficiència de les xarxes de distribució. La recerca se centra en la reducció de l'energia no subministrada (ENS) i en com aquests poden facilitar la integració de recursos energètics distribuïts (DER) a la xarxa. Utilitzant com a banc de proves el sistema de 33 busos de l'IEEE 33 modificat, s'han realitzat simulacions per avaluar el rendiment dels MPCs sota diversos escenaris, incloent-hi fallades simples i dobles de línia i modes d'operació grid-forming i grid-following de les unitats de generació distribuïda (DG). Tot i que en el cas base el rendiment elèctric de la xarxa de distribució ja és acceptable, l'estudi revela que els MPCs milloren significativament el rendiment de la xarxa, especialment en la regulació de voltatge i la reducció de pèrdues. L'anàlisi de la viabilitat econòmica indica que els MPCs d'escala parcial proporcionen una solució més rendible per a la millora del rendiment de la xarxa respecte a aquells a escala total. A més, la recerca avalua el potencial d'ingressos de la participació de sistemes d'emmagatzematge d'energia amb bateria (BESS) en els mercats elèctrics, destacant els beneficis de la participació al mercat diari i el de serveis auxiliars. Els resultats donen suport a l'adopció dels MPCs com una estratègia viable per a modernitzar les xarxes de distribució per a acomodar la creixent integració dels DER i facilitar aconseguir els objectius de sostenibilitat en l'àmbit energètic.

La integració d'energies renovables i sistemes d'emmagatzematge a la xarxa elèctrica ha revolucionat els sistemes elèctrics, presentant nous desafiaments per a l'enginyeria, com la ressonància i el control de convertidors. A més de les preocupacions tradicionals d'estabilitat, la proliferació d'interconnexions HVDC i l'ús de convertidors VSC suposen nous reptes tècnics per a l'enginyeria que tracta de donar solucions a multitud de problemes com, per exemple, els problemes de xarxa dèbil. L'acadèmia ha contribuït significativament, amb estudis i articles que analitzen aquests fenòmens des del punt de vista del control. Aquests desenvolupaments reflecteixen els avenços tècnics destacant la importància d'adaptar les eines de simulació i modelatge als nous requisits per garantir un subministrament d'energia robust i de qualitat. En aquest treball es desenvolupa una eina amb petita senyal per estudiar l'estabilitat de xarxes elèctriques amb convertidors VSC DC-AC sota pertorbacions de càrrega. El model proposat, simplificat i general, busca analitzar el comportament de la xarxa davant perturbacions en un punt d'operació linealitzat. A més, es pretén proporcionar informació sobre la robustesa del sistema i els pols dominants, observant com varien aquests pols amb canvis en els paràmetres de la xarxa. Es realitza una simulació en Matlab-Simulink que mostra el comportament real d'un sistema com el proposat i, a partir d'aquest, es construeix un d'equivalent en espai d'estats. Amb aquest últim s'exposaran una sèrie d'exemples per il·lustrar les facilitats i oportunitats que ens brinda l'anàlisi lineal en l'anàlisi de xarxes amb convertidors VSC.

L'objectiu d'aquest treball és dissenyar i validar un model Simulink d'un convertidor de font de tensió (VSC) en el context dels sistemes de generació d'energia eòlica. La primera part de l'informe ofereix una visió general de les principals característiques dels VSC, la seva aplicació als sistemes de generació d'energia eòlica i els seus principis operatius específics. S'analitzen diferents tipus d'aerogeneradors i es selecciona una part específica del sistema d'un d'ells per a estudiar-la més a fons. A partir d'aquí, s'exploren alguns conceptes i dispositius clau d'electrònica de potència amb la finalitat de comprendre els principis bàsics del funcionament d'un VSC (necessaris per al disseny del model realitzat en la segona part). La segona part de l'informe ofereix una explicació detallada dels subsistemes del model dissenyat del VSC. S'aborden les seves configuracions específiques, models matemàtics subjacents, esquemes de control i interaccions amb altres subsistemes. Els resultats finals de la simulació no s'inclouen en aquesta part. A la tercera part de l'informe, s'assigna un valor a totes les variables i s'executen dues simulacions amb l'objectiu d'explorar la resposta del VSC davant diferents escenaris. Els resultats al final d'aquest informe validen amb èxit el model dissenyat i serveixen com a prova del seu impacte en els sistemes de generació de turbines eòliques.

En aquest Treball de Fi de Grau es presenta el procés d'elecció i entrenament d'un model de predicció de càrregues elèctriques mitjançant Aprenentatge Automàtic. Les càrregues objecte d'estudi són agregats de càrregues residencials i agregats de càrregues industrials connectades a una xarxa de distribució rural. Les mesures utilitzades per a l'entrenament han estat registrades en subestacions de transformació de mitja a baixa tensió. L'horitzó temporal de la predicció que es vol realitzar és d'una hora. Per tant, s'entrena un model de predicció short-term. En primer lloc, s'exposa una part teòrica en la qual es tracten els conceptes clau sobre xarxes de distribució i tipus de potència, el procés d'Aprenentatge Automàtic i la predicció de sèries temporals. Després, s'analitza l'estat de l'art de la predicció de càrregues elèctriques. En l'estudi es presenta una metodologia completa que, a partir de les dades sense processar (les mesures registrades a la subestació), permeti obtenir models de predicció entrenant algoritmes d'Aprenentatge Automàtic. La metodologia inclou les següents fases: selecció d'un model benchmark de referència, preparació i preprocessament de les dades, anàlisi de l'autocorrelació, introducció de la informació derivada de la marca de temps, entrenament i avaluació dels models i validació del model definitiu. Seguint aquests passos, s'entrenen diferents tècniques d'AA i se seleccionen les que compten amb millors resultats. Tant per a la càrrega residencial com per a la càrrega industrial s'entrenen models de predicció horària específics per a cada dia de la setmana. Quan s'avaluen els algoritmes, es troba que en la majoria dels casos se superen les precisions dels benchmarks (els models queden validats). No obstant, això no succeeix en cinc casos concrets relatius a les potències de càrrega industrial. Per aquesta raó, es proposa (per a futurs estudis) l'ajust dels models mitjançant l'optimització dels seus hiperparàmetres.

En la present memòria s'estudia el funcionament general d'un aerogenerador connectat a la xarxa elèctrica, utilitzant un generador síncron d'imants permanents sense caixa de canvis. L'objectiu principal és l'estudi de les tècniques de control dels convertidors elèctrics actuals i les tendències de la recerca en aquest camp. La metodologia inclou una introducció teòrica dels components de l'aerogenerador i posteriorment es posa l'èmfasi en el control del convertidor. Es realitzen simulacions amb MATLAB/Simulink per analitzar el comportament del sistema en dos modes de funcionament: seguiment de xarxa (grid following) i formació de xarxa (grid forming). En el mode de seguiment de xarxa, les magnituds elèctriques es controlen a partir de mesures de tensió i corrent de la xarxa, permetent un control independent i ràpid de la potència activa i reactiva. En el mode de formació de xarxa, la sincronització es basa en l'anàlisi de les potències injectades, ajustant la freqüència i la tensió. Les simulacions inclouen diversos punts d'operació, tant en condicions nominals com amb alteracions de la xarxa elèctrica, com sots de tensió i variacions de freqüència. Els resultats mostren que en el mode de seguiment de xarxa es pot controlar la potència de manera eficaç, mentre que en el mode de formació de xarxa s'han detectat mancances en el control de la potència reactiva del droop control, solucionades amb modificacions en el controlador de potència. Finalment, es discuteix l'impacte potencial dels aerogeneradors en la transició energètica i l'estat social de l'enginyeria. Conseqüentment, aquest estudi contribueix a la comprensió dels sistemes de control dels aerogeneradors i a futurs avenços en les energies renovables.

Wind energy is one of the most promising renewable energy sources for the transition to a sustainable energy system. This thesis focuses on the study of the design and optimal sizing of a HVAC (High Voltage Alternating Current) transmission system for offshore wind power plants. It considers the possibility of incorporating reactive power compensation, including mid-cable, to reduce active power losses. The work developed in this thesis includes the modelling of the electrical elements of an HVAC transmission system of an offshore wind power plant, the power flow analysis, the formulation of the optimization problem and the integration of a genetic algorithm to find a set of optimal solutions. The solver is integrated with Python and a specific case study is presented. It is concluded that the proposed algorithm is applicable, meets the requirements imposed by the nature of the problem and that the use of a genetic algorithm is an efficient tool for finding optimal solutions.

In the global push towards decarbonization, no sector has seen as resounding success than the power sector. The last 22 years have seen successive record-breaking additions to the global installed capacity of renewable energy generation. Wind and solar energy have seen dramatic advancements in technology and reductions in cost, and are now some of the most cost-effective form soft power generation on the market. Over the upcoming years the goal of an electrical grid dominated by renewable energy sources is predicted to become a reality. The shift away from traditional forms of power generation is not without its risks, however, and the promotion of grid stability in the face of an influx of variable and intermittent generators is increasingly important. Both wind and solar generation are, by the nature of their production, proneto sudden and significant changes in power output, which can have deleterious effects on the health of the electrical grid. The mitigation of these fluctuations of power, known as ramp rates, is an ongoing area of study in the energy engineering industry. One common solution is the use of energy storage systems (ESS) to 'smooth' the power sent to the grid by charging or discharging during periods of high variability. Energy storage technology however still comes at a high cost, and for the integration of renewable energy to remain cost-competitive, it is necessary to explore how to lower the price of ramp rate enforcement. This thesis investigates the sizing and use of ESS in the enforcement of a set ramp rate limit for a grid system with multiple renewable energy generators. This study is based on the fact that the ramping behaviors of a series of generators will be different depending on where in the system the ramp rate is enforced, and so ESS storage, power and cost should be optimized to the architecture of the grid. Described within is the creation of an optimization model for the sizing of energy storage systems for the purpose of enforcing a ramp rate limit. Two case studies are developed, describing two possible use cases of energy storage in a grid with multiple renewable energy generators: with the ESS located at the substation and with the ESS co-located with generators. The optimization model is run for each of the case studies through several sets of model parameters, until a final set is defined. The final results are analysed for ESS installed capacities, dispatch and costs. Ananalysis of the final results returns a stark difference between the two case studies. By amalgamating the power flows from the four generators a significant amount of ramping violations were mitigated, and the centralized ESS was conservatively used throughout the modeled period. A lithium ion battery with a discharge rate of 1C is recommended to be located a the substation. The co-located units, compensating for a single generator each, underwent significantly higher amounts of dispatch and as such high cycle-life flywheels are recommended for this architecture. Overall the centralized architecture was shown to be a much more efficient method of ramp rate control, discharging a tenth of the energy than the total of the co-located storage systems for the same ramping performance. However additional considerations such local stability conditions and asset ownership must be considered before a recommendation can be made.

Aquest projecte tracta de la recerca i l'anàlisi de l'optimització d'un parc offshore. L'estudi es centra principalment en l'anàlisi del parc Fécamp, que s'ha acabat de construir al maig de 2024 a la costa de Normandia (França). Després d'haver finalitzat i comprès la lectura d'aquest projecte, el lector hauria de conèixer el funcionament de qualsevol parc eòlic marítim (offshore) i quin és el procés per fer-lo més eficient. L'estudi explica el funcionament del parc eòlic marítim (offshore) amb els factors que l'influencien i les diferències amb els parcs eòlics terrestres (onshore). L'objectiu és informar del funcionament del parc Fécamp, incloent-hi la resolució del circuit elèctric mitjançant l'aplicació del mètode Newton Raphson, les possibilitats de compensació de la potència reactiva amb l'addicció de bobines en paral·lel i l'optimització del parc amb un pressupost aproximat. La primera part de l'estudi inclou una introducció dels conceptes que influencien el parc i les raons per les quals és una eina que s'està explotant molt en aquests darrers anys en comparació comparant-ho amb els parcs terrestres. Tot seguit, ja es començar a concretar només en l'aspecte del parc Fécamp. En primer lloc, l'estudi analitza la ubicació i la distribució de turbines, el model de turbina i dels cables i un esquema de la potència generada al parc fins a arribar a la xarxa elèctrica mentre passa per les dues subestacions. En segon lloc, s'han cercat els valors de les resistències, les bobines, els condensadors i la potència generada de cada turbina per tal de resoldre el circuit elèctric. Un cop s'hagi resolt el circuit, es pot saber la potència útil que arriba a la xarxa i la reactiva a compensar mitjançant diversos mètodes. En darrer lloc, l'estudi presenta una comparació dels resultats després de compensar la reactiva envers diferents punts del circuit elèctric i amb diferents valors de la bobina per tal d'observar quina és la possibilitat més òptima. Per poder esbrinar-ho, s'ha analitzat el pressupost que suposaria i la potència útil que hauria d'arribar en cada cas, amb la finalitat de trobar el circuit més òptim per al parc. Cal esmentar que el parc Fécamp ja disposa de la seva pròpia compensació de la potència de la reactiva utilitzant bobines en paral·lel, però en aquest treball no es contempla, ja que la intenció és explicar com s'ha de realitzar el procés per trobar la màxima eficiència del parc amb un mínim cost.

In the past few years, there has been a concerted effort to move towards renewable energy sources and reduce dependence on fossil fuels in electricity production. This transition poses a significant contemporary challenge, especially given that many power plants currently rely on synchronous generators, whose inertia provides system stability. To mitigate the effects of instability associated with decarbonization, several solutions, known as FACTS have been implemented. These devices allow greater control of the grid, making it more flexible and adaptable. In addition, the goal is to create a strong, interconnected continental grid, and one way to achieve this is through direct current power transmission, known as HVDC. HVDC transmission offers several advantages over the traditional alternating current (HVAC) variant; these include the ability to interconnect networks with different frequencies or greater energy efficiency. However, HVDC technology has a disadvantage: it is often an expensive technology as it requires power electronics-based equipment, with a limited market. Investment in this type of technology is a goal of international organizations to provide a resilient grid and to allow the integration of renewables. In this work, a technical analysis of the current interconnection with France in the transmission grid will be carried out, locating its weaknesses and proposing two improvement scenarios; firstly, it will be seen how the HVDC technology impacts on the interconnection with France, assessing aspects such as transmitted power flows, transmission efficiency and the potential advantages that it may have over the HVAC variant, which will also be analyzed in depth. All this will have an economic study in which the feasibility of the project and which is the most appropriate alternative to implement will be assessed.

The scope of this project is to comprehend, analyze and model on-chain-link based multiport converters able to connect High Voltage Direct Current (from now on HVDC) and Medium Voltage Direct Current (from now on MVDC) to Alternating current networks Firstly, there is a theoretical study where multiple types of converters are exposed. It's explained how do they work, how they classify and their functionality. It starts from the mostsimple converters and it reaches complex structure converters, which are going to be in the scope for the results. Following on, models studied have been analyzed and represented using MATLAB [2] software, which helps to analyze and faithfully study the behavior of our converter or electrical system. Finally, this knowledge is being put together into creating a MMC converter simulating its behavior in the AC network. Models have been made through MATLAB's Simulink add-on, which makes it easier to view and schematize the converters and network, meaning that, for the explanations and for the obtention of results, MATLAB is going to be used. Results are going to be broken down and conclusions will be made regarding the results of all the study, leaving a follow-up path for the interest of the reader.