Modelling and analysis of battery energy storage systems for primary control reserve provision

This thesis evaluates the utilization of a Battery Energy Storage System (BESS) for grid-tied application: the Primary Control Reserve service provision. The work is based on the development of a methodology devoted to properly simulate BESS dynamic response. Firstly, an overview and description of the different battery technologies is provided: the Lithium-ion technology is chosen as reference for this work. Then, the proposed methodology is presented, which consists of five sections: (i) the controller model, that elaborates the input signals and includes decision-making rules to control the system; (ii) the regulation model that simulates the droop control proposed in this thesis, to generate a power setpoint; (iii) the inverter model that simulate the presence of an inverter; (iv) the battery model that simulates the battery behaviour and is the core of the methodology; (v) the economic model that evaluates the investment on a defined period. The methodology has been implemented in a Matlab™ Simulink™ model and applied to a case study based on the Italian regulation. The main analysis criteria are: (i) the comparison of service provision between two different battery modelling approaches: empirical and electrical; (ii) the optimal dimensioning of the system that guarantees a positive investment; (iii) the service continuity, in order to limit the negative effect of finite capacity of the BESS by utilizing SoC control strategies. The main outcomes show that: (i) different battery models have a different level of service provision; these differences are given by the nature of the models; (ii) the optimal dimensioning of the BESS is strongly influenced by service provision only when the penalty is high; (iii) SoC control strategies improve the provision of the service but they can have a negative effect on the BESS lifetime and on the final value of the investment due to heavier battery utilization.

Questo lavoro di tesi valuta l’utilizzo di un sistema di accumulo a batteria (BESS) installato sulla rete elettrica ed utilizzato per fornire riserva di controllo primaria. L’elaborato è basato sullo sviluppo di una metodologia che definisca un modello capace di simulare opportunamente la risposta dinamica di un BESS. In primo luogo, una panoramica sulle diverse tecnologie di batteria viene proposta: la tecnologia agli ioni di litio (Li-ion) è scelta come riferimento per il lavoro. Quindi, viene presentata la metodologia proposta che è composta da cinque sezioni: (i) il controllore, che elabora il segnale in ingresso e lo processa con regole decisionali definite; (ii) il regolatore, che simula l’utilizzo della curva di statismo per generare un valore di potenza; (iii) il modello di inverter, che ne simula il comportamento; (iv) il modello di batteria che è il cuore del modello e simula il comportamento di una batteria; (v) il modello economico, utilizzato per valutare l’investimento su un periodo di tempo predefinito. La metodologia è stata implementata in un modello Matlab™ Simulink™ e applicata ad un caso di studio basato sulla regolamentazione italiana. I principali criteri di analisi sono: (i) il confronto della fornitura di servizio tra diversi approcci di modellazione di batteria: empirico ed elettrico; (ii) il dimensionamento ottimale del sistema che garantisce un investimento proficuo; (iii) la continuità di servizio, in modo da limitare l’effetto negativo della capacità limitata di un BESS utilizzando delle strategie di controllo dello stato di carica. I risultati dimostrano che: (i) i diversi tipi di modelli di batteria hanno un diverso grado di fornitura del servizio; queste differenze sono dettate dalla natura stessa dei modelli; (ii) il dimensionamento ottimale del BESS è fortemente influenzato dal livello di fornitura del servizio solo quando la penalità è alta; (iii) l’utilizzazione di strategie di controllo dello stato di carica migliorano la fornitura del servizio ma possono avere un effetto negativo sulla vita utile del sistema e sul valore finale dell’investimento a causa di una utilizzazione più pesante della batteria.