Artigo Final da disciplina de Geração Eólica – Fortaleza,19 de Novembro de 2014
ANÁLISE CRÍTICA E RESUMO DE ARTIGOS RELACIONADOS À GERAÇÃO EÓLICA EM MICRO REDES Katiuscia Lopes dos Santos –
[email protected] Universidade Federal do Ceará, Departamento de Engenharia Elétrica.
Resumo. O objetivo deste artigo é apresentar uma análise crítica de quatro linhas de pesquisa sobre geração eólica e micro redes. O primeiro artigo apresenta uma visão geral da geração eólica conectada à rede elétrica, abordando o avanço da tecnologia dos aerogeradores, a integração de plantas eólicas a rede elétrica e o desenvolvimento do mercado e regulação de plantas eólicas. O segundo artigo analisa a viabilidade de opções de fontes de energia renovável para uma micro rede conectada a rede elétrica para um hotel de larga escala, utilizando o software HOMER na análise e concluindo que a geração eólica era a mais viável para a micro rede do hotel em estudo. O terceiro artigo descreve uma aplicação de sistema hibrido utilizando energias fotovoltaica / eólica – células de combustível que formam uma micro rede DC para alimentar uma residência, abordando a distribuição de energia DC, a descrição do sistema de energia hibrido proposto, o estudo experimental avaliando a qualidade de energia e a aquisição de dados, e a análise do custo de vida do sistema. No quarto artigo é apresentado o estado da arte dos bancos de ensaios de micro redes ao redor do mundo onde é abordado as tecnologias de geração distribuídas tanto para micro redes AC como DC, detalhando cada uma delas e um banco de dados de diversos projetos de micro rede desenvolvidos pelo mundo. Palavras-chave: Geração Eólica, Micro Rede, Sistema híbrido, Fonte de Energia Renovável. 1.
INTRODUÇÃO
A rede elétrica do presente tem por modelo uma geração centralizada, com a energia transmitida de grandes centrais de geração aos centros de carga por linhas de transmissão e entregue aos consumidores através de uma infraestrutura de distribuição passiva.
Na ultima década, muitos países deram inicio ao processo de liberalização de seus sistemas elétricos abrindo acesso as redes de transmissão e distribuição. Com isso, consumidores individuais obtém o direito de escolher seus provedores de energia elétrica bem como de gerar e comercializar a energia produzida. Características da futura rede elétrica: As redes de distribuição ativas com fluxos de energia bidirecionais. Agregação de micro redes em planta de energia. Redesenho da arquitetura de rede elétrica com maior participação das tecnologias de informação e comunicação, transformando a atual rede elétrica em uma rede inteligente. Marco regulatório estável e transparente, dando as duas opções ao consumidor: grandes geradores centralizados e pequenas fontes de energia distribuídas. A rede elétrica do futuro é descentralizada da geração de energia elétrica e tem contribuído à participação de diferentes tecnologias de geração baseadas em fontes renováveis e não-renováveis, como as plantas a gás, as centrais hidrelétricas, os parques eólicos, as plantas de co-geração, e os sistemas fotovoltaicos[1].
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Os Sistemas de energia híbridos Renováveis (RHESs) são os sistemas em que as fontes de energia renováveis como a eólica, hidrogênio, solar, etc, foram utilizados simultaneamente. A fim de evitar o aquecimento global causado pelos gases de efeito estufa, a legislação especial sobre o consumo de energia entrou em vigor em 2003, promovendo, assim, a introdução de energias renováveis . Nos últimos anos, o aumento dos preços do petróleo, a rápida execução fora tendência das reservas de combustíveis fósseis e seus efeitos nocivos irreparáveis e instabilidades políticas nas regiões de fontes de energia foram acelerados os estudos sobre os sistemas de energia renovável, especialmente em áreas rurais e países em desenvolvimento, onde geralmente é difícil ter acesso à rede elétrica convencional [3]. Dentre as energias renováveis não-hidráulicas a conversão eolielétrica tem se destacado como a mais promissora por sua base tecnológica industrial, e pela experiência e confiabilidade adquiridas nos últimos 20 anos de operação de pequenos e grandes sistemas no mundo. A crescente participação desse modelo de geração na matriz energética em vários países do mundo tem chamado atenção das empresas responsáveis pelo planejamento, operação e controle das redes de transmissão e distribuição de energia onde tais geradores se conectam [2]. A definição de Micro rede é um grupo local de fontes de eletricidade e cargas que normalmente operam conectadas, e atua como uma única entidade controlável e de forma sincronizada com rede elétrica, mas pode ser desligado e independente operado de acordo com as condições físicas e/ou económicas. A energia em excesso de um sistema distribuído é avaliada com a venda para a rede elétrica convencional, ou pode ser armazenado em um sistema de armazenamento. Existem vários características típicas da micro rede, transição perfeita para/de rede convencional, a integração dos ativos renováveis para suportar cargas presentes na rede elétrica, sem um alto grau de automação[4]. Este artigo aborda uma análise critica e resumo de quatro artigos sobre geração eólica e micro redes descritos na Tabela 1. Tabela 1 – Especificações dos artigos Artigo Título Publicado em Local de Autores Ano de Pesquisa publicação IEEE LATIN AMERICA 1 “A Comprehensive Brasil R. P. S. Leão, F. L. M. 2009 TRANSACTIONS, VOL. Overview on Wind Power Antunes, T. G. M. 7, NO. 6 Integration to the Power Lourenço e K. R. Grid” Andrade Jr. 2 “Feasibility analysis of Renewable Energy 34 Austrália G.J. Dalton*, D.A. 2009 renewable energy supply 955–964 Lockington, T.E. options for a grid-connected Baldock large hotel” 3 “A micro-DC power Energy and Buildings Turquia Engin Cetin, Ahmet 2010 distribution system for a 42 1344–1352 Alemanha Yilanci, H. Kemal residential application Ozturk, Metin Colak, energized by Ismail Kasikci, Serdar photovoltaic–wind/fuel cell Iplikci hybrid energy systems” 4 “Microgrid testbeds around Energy Conversion EUA Eklas Hossain, Ersan 2014 the world: State of art” and Management 86 Turquia Kabalci, Ramazan 132–153 Bayindir, Ronald Perez
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2.
ARTIGO 1 - UMA VISÃO ABRANGENTE SOBRE ENERGIA EÓLICA INTEGRADA À REDE ELÉTRICA
2.1 Resumo do Artigo 1 Este artigo apresenta uma visão geral sobre as mudanças que os sistemas de energia estão passando e discute aspectos importantes decorrentes da penetração em grande escala da energia eólica na rede de energia elétrica, como os desafios relacionados com a infraestrutura de transmissão e distribuição, questões relacionadas ao equilíbrio, reserva e previsão da energia eólica, bem como a capacidade dos aero geradores, nas estratégias de planejamento e operação, regulamentação e no mercado de energia. Nele são apresentadas as tecnologias atuais para aerogeradores, mostrados nas figuras 3,4 e 5, e descreve as tendências dessas tecnologias.
Faz uma abordagem sobre a integração das plantas eólicas a rede elétrica, apontando os desafios para essa integração, como a infraestrutura atual da rede elétrica e o balaço, reserva e previsibilidade da energia eólica, a suportabilidade dos aerogeradores e o controle de frequência. Segue amostrado na Figura 6 o perfil de tensão para suportabilidade de geradores eólicos na condição de falta na rede.
Figura 6 – Perfil de tensão para suportabilidade de geradores eólicos na condição de falta na rede [1]. Assim como descreve o desenvolvimento do mercado de energia, afirmando que mecanismo que mais tem contribuído para o desenvolvimento da energia eólica é o de tarifa fixa (FiT), e regulamentação para plantas eólicas mostrada através da Tabela 2.
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2.2 Análise Crítica do Artigo 1 O artigo presente tem contribuições relevantes para o estudo sobre geração eólica, como também apresenta alguns pontos negativos. A Tabela 3 está descrito a análise dos pontos positivos e negativos do artigo. Tabela 3. Pontos positivos e negativos referente ao primeiro artigo Pontos Positivos Pontos Negativos Cumpriu bem a proposta de falar de forma generalizada No tópico II sobre tecnologia dos aerogeradores só foi sobre geração eólica integrada com a rede. mostrada três topologias, quando existem mais topologias que poderiam ser apresentados no artigo. É bem organizado em tópicos, e tem uma linguagem Faltaram citações a exemplos práticos, como algum didática de simples compreensão. estudo de caso. Figuras com visualização nítidas É bem referenciado 3.
Resumo do Artigo 2 - Análise de viabilidade de opções de fontes de energia renováveis conectada à rede para um grande hotel
Este estudo apresenta uma análise da viabilidade técnica e financeira das configurações de sistemas como a rede elétrica convencional, fontes de energia renováveis isoladas e fontes de energia renovável híbridas conectadas a rede, de fornecimento de energia para um hotel em grande escala (mais de 100 leitos) conectado à rede. A avaliação de critérios é composta por custo líquido presente (NPC), fração renovável (RF) e tempo de retorno. O software RES Homer (National Renewable Energy Laboratory, EUA) foi utilizado como ferramenta de avaliação, com uma modelagem realizada com a entrada de dados de carga horária de um hotel localizado em uma área costeira subtropical de Queensland, Austrália. Os resultados demonstram que as FER (Fontes de Energia Renovável), em princípio, tem o potencial de fornecer energia significativa para um alojamento turístico em larga escala, em conjunto com o fornecimento da rede de eletricidade. A otimização e modelagem demonstrou que, a preços de 2004, o NPC da RES híbridas conectados a rede é comparável com o fornecimento apenas da rede e resultou em um RF de 73%, um tempo de retorno de 14 anos e uma redução nas emissões de gases de efeito estufa de 65%. A Modelagem e otimização também mostrou que, embora a configuração de FER-isolado pode potencialmente fornecer 100% da demanda de energia, tal configuração é atualmente antieconômica dado os custos atuais de energia elétrica. Os resultados indicam que os sistemas de conversão de energia eólica (CEOs), ao invés de fotovoltaica, são a tecnologia FER mais viável economicamente para operação de grande escala conectado a rede. Especificamente, WECS (sistemas de conversão de energia eólica) em grande escala (mais de 1000 kW) são mais eficientes e mais econômico do que múltiplos de pequena escala WECS (0,1-100 kW). Armazenamento com Células de combustível de hidrogênio são atualmente antieconômico em configurações conectadas à rede. A análise de sensibilidade demonstrou que as operações que
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dependem do fornecimento somente da rede são economicamente mais suscetíveis a escalonamentos em custos de eletricidade e a imposição de impostos carbono em comparação com FER híbridos/Rede. Na verdade, a preços de eletricidade que existem atualmente, que quase quadruplicou desde 2004, as FER híbrido/Rede é mais econômico em um período de 20 anos do que somente a rede elétrica, com um NPC que é 50% menor, e um tempo de retorno de 4,5 anos. A análise demonstra que FER é tecnicamente exequível e economicamente viável como uma adição ao fornecimento conectada à rede para operações turísticas de grande escala, e deve tornar-se mais atraente quando custos do fornecimento convencional aumentar. 3.1. Configurações fornecimento de energia analisadas Foram analisadas as seguintes configurações para o fornecimento de energia ao hotel, as instalações podem ser divididas em duas categorias de configuração: (1) FER conectados a rede elétrica, com energia fotovoltaica (PV) / Rede, Sistemas de conversão de energia eólica (WECs) / Rede e PV / WECS / Rede [1]. (2) FER para abastecimento autônomo completo, como fotovoltaico isolado (PV-only), sistemas de conversão de energia eólica isolada (WECS-only) e combinações de PV / WECS isolado [1]. A Figura 7 mostra a configuração do sistema testado.
Figura 7 – Diagrama das fontes de energia e suas conversões AC/DC 3.2 Entrada de Dados para o Sistema HOMER RES • • • • •
O consumo anual de energia para o hotel é de 5,5 GWh, Consumo médio de energia de 15.000 kWh / dia. Carga de pico no ano foi de 966 kW Preço da energia em 2004 de $ 0.05 / kWh Para o propósitos deste artigo, o preço de venda da eletricidade excedente foi fixada em 0,05 $ / kW h.
3.3 Resultados das análises Na Tabela 4 é mostrada a estimativa de Custo Liquido Presente (NPC) para FER/ Rede e na Tabela 5 é mostrado a estimativa de NPC para sistemas de FER isolado. Tabela 4 – Estimação do NPC para FER/ Rede
Tabela 5 - Configurações de FER - Isolada (A rede é excluída, portanto, RF é igual a 1 em todos casos)
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3.4 Análise Crítica do Artigo 2 O artigo presente tem contribuições relevantes mostrando um estudo de caso muito interessante de micro rede, como também apresenta alguns pontos negativos. A Tabela 6 está descrito a análise dos pontos positivos e negativos do artigo. Tabela 6. Pontos positivos e negativos referente ao segundo artigo Pontos Positivos Pontos Negativos Cumpriu bem a proposta de um estudo de caso em micro O Artigo foi mal organizado em tópicos, onde não teve rede para um Hotel em larga escala. uma sequencia coerente dos tópicos. Simulações bem executadas e explicadas, com resultados Poderia tem explorado mais a explicação sobre o software coerentes. HOMER e colocado figuras de sua interfase gráfica. Gráficos, tabelas e Figuras com visualização nítidas e de O Artigo enviado em 2007, publicado em 2009, mas com fácil compreensão. dados de custos de 2004. Bem referenciado 4.
Resumo do Artigo 3 – Um sistema de distribuição de energia de micro rede DC para uma aplicação residencial energizada por sistemas de energia híbrido Fotovoltaica-Eólica e Células de Combustível
Entre os sistemas de energia renovável, uma grande quantidade de pesquisas têm sido realizadas principalmente na energia fotovoltaica, energia eólica e células de combustível nos últimos anos. Neste estudo, uma aplicação residencial de um sistema de energia híbrido fotovoltaico-eólico/ células de combustível, estabelecido em uma Casa de Energia Limpa em Denizli, na Turquia, foi investigada. O estudo baseia-se na distribuição e consumo de energia elétrica em corrente contínua (CC), que é produzida pelo sistema híbrido. Aplicações residenciais locais e sem rede têm sido amplamente exploradas e, portanto, painéis fotovoltaicos e turbinas eólicas têm sido configurados nessas residências. Recentemente, as células de combustível tem sido também usadas sob a forma de sistemas modulares pequenos. As células de combustível são amplamente reconhecidas como um das tecnologias mais promissoras para atender às necessidades futuras de geração de energia [3]. A energia elétrica produzida por sistemas de energia renovável como painéis fotovoltaicos e células de combustível está na forma do energia elétrica CC. Apesar do fato de que a energia elétrica produzida pelas turbinas eólicas é, sob a forma de corrente alternativa (AC), em proporção com a velocidade do vento, a energia CA é convertida na energia DC pelos conversores internos de baixo consumo e em seguida, a rede é fornecido por essa energia DC. A energia produzida por DC têm de ser convertidos em energia AC devido ao fato de que os consumidores estão todos AC. Tal DC / AC conversão traz alguns inconvenientes, tais como a necessidade de um conversor DC / AC, o envolvimento de alguns harmónicos, a perda de energia, o aumento na dimensão e custo, e alguma degradação da qualidade da energia. Neste trabalho é apresentada a aplicação em que a energia produzida DC por FER híbridos é consumido por cargas DC sem ser convertido para a forma CA. 4.1 A Descrição Do Sistema De Energia Hibrido Fotovotáico-Turbina Eólica-Células De Combustível Cada um dos painéis fotovoltaicos é Kyocera 125GHT-2: a saída potência é de 125 W, o material é policristalino, a tensão de saída máxima é de 17,4 V, e a corrente de saída máxima é de 7,2 A, o tensão de circuito aberto de 21,7 V, a corrente de curto-circuito é 8.0A [17]. As baterias utilizadas no sistema são os únicos que são 12 V, 150 Ah fechado totalmente Pb-ácido tipo AGM. 16 baterias foram montadas de modo a obter 48 V. A tensão DC obtida na saída de painel fotovoltaico é ligado às entradas dos reguladores de carga de 45A. As células de combustível são usados para a produção de energia elétrica a partir do hidrogénio armazenado no sistema. O combustível do tipo PEM. As células são adotadas devido à sua simplicidade, compacidade e facilidade de manutenção. Cada um dos módulos de células de combustível Nexa TM produz máxima de energia 1.2kW DC e tem uma tensão de saída nominal de 22-50V DC. O módulo de potência Nexa TM fornece até 1.2kW de energia DC não regulada com uma tensão de saída nominal de 26V DC. A pilha de combustível é constituída por 47 elementos imprensados células de combustível [18]. O sistema também inclui uma turbina eólica, que é escolhido 400Wp de acordo com o sistema de 48V DC. A turbina de modelo Air-xTM é de 1.17m diâmetro do rotor e a sua potência é 400 W. A gama de velocidade do vento para a turbina para ser capaz de produzir energia elétrica situa-se entre 3,58 m /s (velocidade de corte) e 12,5 m / s (Velocidade de corte) [19]. O grupo de painéis fotovoltaicos constitui o fornecedor de energia principal do sistema, enquanto que a célula de combustível e o turbina eólica são o fornecedor secundário visto que a área não é ventosa ao longo do ano, exceto para nos invernos. Portanto, a turbina eólica auxilia no carregamento das baterias durante o período em que a energia solar não é suficiente. A carga total do sistema é dimensionada utilizando os seguintes dispositivos descritos na tabela 7, proposto no estudo experimental.
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Tabela 7 – Consumo de energia dos dispositivos usados no estudo experimental
O diagrama do sistema híbrido proposto nesse artigo está mostrado na Figura 8.
Figura 8 – Sistema de distribuição DC para uma residência A análise de custo foi feita com base no LCC (Custo do ciclo de vida de cada componente do sistema), conforme a Tabela 8. Tabela 8 – Analise do LCC para o sistema DC
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Os resultados experimentais são mostrados Nas figuras de 9 a 14.
Figura 9 - Sinais de tensão e corrente de entrada do conversor de 12V quando todas as cargas estão ligadas.
Figo. 10. Sinais de tensão e corrente de saída do conversor de 12V quando todas as cargas estão ligadas
Figura 11. Sinais de tensão e corrente de entrada comum para conversores DC / DC quando todas as cargas estão ligadas.
Figura 12. Sinais de tensão e corrente para entrada quando a bomba e os ventiladores estão ligados no conversor 24V.
Figura. 13. Sinais de tensão e corrente de saída do conversor 24V quando os ventiladores e a bomba de circulação são ativados.
Figura. 14. Consumo de energia lido a partir da saída do conversor de 24V quando a congelador / refrigerador é ativado.
4.2 Análise Crítica do Artigo 3 O artigo presente tem contribuições relevantes mostrando um estudo experimental muito interessante de uma aplicação de micro rede em uma residência, como também apresenta alguns pontos negativos. A Tabela 9 está descrito a análise dos pontos positivos e negativos do artigo. Tabela 9. Pontos positivos e negativos referente ao segundo artigo Pontos Positivos Pontos Negativos Artigo bem organizado em tópicos com um Algumas tabelas e figuras não nítidas desenvolvimento coerente Simulações bem executadas, com resultados coerentes. Não teve comparação com outros experimentos na mesma linha de pesquisa para validar os resultados. Fotos do projeto experimental, nos permitindo visualizar melhor a proposta do artigo. Artigo bem referenciado 5.
Resumo do Artigo 4 - Bancos de Ensaio de Micro rede ao Redor do Mundo: Estado da Arte
Este artigo lida com a evolução recente de micro redes sendo usado ao redor do mundo em aplicações da vida real, bem como a aplicação em laboratório para pesquisa. Este estudo destina-se a introduzir o tema, analisando o nível de componentes, estrutura e tipos de aplicações de micro redes instalados como uma planta ou modelado como um
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ambiente de simulação. O artigo apresenta uma pesquisa sobre artigos publicados sobre o porquê a micro rede é necessária, e quais são os componentes e sistemas de controle, que constituem os estudos de micro redes reais. Ele leva o pesquisador para ver a micro rede em termos do grande cenário atual e cria uma nova perspectiva sobre os potenciais de desenvolvimentos. Além disso, a comparação de micro redes em várias regiões, com base em vários parâmetros permite pesquisadores definir os critérios necessários e características de uma micro rede especifica escolhida para um determinado cenário. Os autores deste trabalho também tabularam todas as informações necessárias sobre micro redes, e propuseram um padrão micro rede para melhor qualidade de energia e otimização de geração de energia. Consequentemente, é focado no conhecimento inadequado e lacunas de tecnologia no campo de sistema de potência em relação ao futuro, e é isto que tem sido ilustrado para o leitor. Os bancos de ensaio de micro redes existentes no mundo inteiro foram estudados e analisados, e vários deles são explicados como exemplo neste estudo. Mais tarde, esses sistemas de distribuição investigados são classificados com base na região (América do Norte, Europa e Ásia) e, como apresentado na literatura, Verificou-se uma quantidade significativa de desvio. Utilizaram-se várias tabelas para comparar e contrastar os sistemas de teste existente. Esta pesquisa tem-se concluído com Descobertas e áreas potenciais dignos de pesquisa que irão aumentar a atual, bem como introduzir bancos de ensaio de micro redes de forma abrangente e ajuda projetistas na otimização da eficiência do sistema distribuído verde para uma fonte de alimentação confiável. 5.1. Comparação entre sistemas de Micro Rede AC e DC Através da Tabela 10 o artigo traz uma comparação entre as micro redes AC e DC revelando seus pontos positivos e negativos. Tabela 10 – Comparação entre Micro Redes AC e DC
5.2. Exemplos de Banco de Ensaios de micro rede ao redor do Mundo O enfoco principal do artigo é mostra o que se está trabalhando em micro rede ao redor do mundo, na Figura 15 nos mostra um exemplo.
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Figura 15 - Banco de ensaio em BC, British Columbia Institute of Technology O artigo também apresenta várias tabelas com as características de banco de ensaios de micro rede pelo mundo, como, por exemplo, a tabela 11. Tabela 11 – Banco de testes de micro rede ao redor do mundo
5.3 Análise Crítica do Artigo 4 O artigo presente tem contribuições relevantes mostrando um banco de dados de Micro Redes sendo desenvolvidas pelo mundo, como também apresenta alguns pontos negativos. A Tabela 12 está descrito a análise dos pontos positivos e negativos do artigo. Tabela 12. Pontos positivos e negativos referente ao segundo artigo Pontos Positivos Pontos Negativos Artigo bem organizado em tópicos com um Artigo com leitura cansativa por ter muitas tabelas. desenvolvimento coerente. Banco de Dados sobre Micro Rede que pode contribuir Tabelas muito extensa e com a letra muito pequena de bastante para outras pesquisas difícil visualização. Figuras legíveis e de fácil entendimento Artigo bem referenciado 6.
Conclusão
Os artigos escolhidos seguiu uma linha de pesquisa única sobre Geração Eólica aplicada a Micro Rede, se complementando nas informações, facilitando, assim, o entendimento sobre o assunto e suas aplicações na vida real. Os artigos mostraram informações preciosas para o desenvolvimento de pesquisas sobre micro rede com geração eólica. Agradecimentos Agradeço a Deus que me proporciona segue em frente na vida acadêmica, ao Prof. Paulo Carvalho que compartilhou seus conhecimentos conosco e aos colegas de curso por trilharmos juntos este caminho. REFERÊNCIAS [1] R. P. S. Leão, F. L. M. Antunes, T. G. M. Lourenço e K. R. Andrade Jr. IEEE Latin America Transactions, vol. 7, no. 6, december 2009 [2] G.J. Dalton, D.A. Lockington, T.E. Baldock, Feasibility analysis of renewable energy supply options for a grid-connected large hotel, Renewable Energy 34 (2009) 955–964 [3] Engin Cetina, Ahmet Yilanci, H. Kemal Ozturka, Metin Colakb, Ismail Kasikcic, Serdar Iplikci, A micro-DC power distribution system for a residential application energized by photovoltaic–wind/fuel cell hybrid energy systems, Energy and Buildings 42 (2010) 1344–1352 [4] Eklas Hossain, Ersan Kabalci, Ramazan Bayindir , Ronald Perez, Microgrid testbeds around the world: State of art, Energy Conversion and Management 86 (2014) 132–153
