Battery energy storage systems for ancillary services provision

The scope of this work is simulating behavior of a Battery Energy Storage System (BESS) providing grid services in the context of an Ancillary Services Market (ASM). BESS are nowadays involved in several pilot projects for Ancillary services provision around the world. This is because they have some characteristics of interest with respect to conventional power generators that are usually the only providers trading on ASM. Specifically, the extremely high ramp rate and the precision in following power setpoints can provide extreme benefit for security of today’s power network, facing the integration of non-programmable and unpredictable Renewable Energy Sources (RES). The methodology proposed is the simulation of provision of multiple services on a 30-days period using an electric and an empirical Li-ion battery model implemented in a Simulink tool. The work included the development of the controller of the model, the analysis and the development of a complete and replicable procedure for accurate representation of grid services, the validation of the empirical cell model and the simulation of different combination of services provision, namely different layouts of Primary and Secondary Control Regulation. Results of the simulations were investigated and elaborated by both the points of view of the assurance of provision (the point of view of the Transmission System Operator) and of the economic return (the point of view of the investor). Simulations showed outstanding performance by BESS in providing the power requested. In the best case, power non-provided was less than 2% of the overall power requested. This result was achieved by exploiting the favorable characteristics of asymmetric Secondary Reserve provision. By the side of economic return, when inspecting the Italian ASM framework, results showed Payback Time (PBT) of at least 12 years. When analyzing German framework, PBT decreased to 3 years.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la simulazione del comportamento di un sistema di accumulo energetico a batteria, nella fornitura di servizi di rete nel contesto di un Mercato dei Servizi Ancillari. Gli accumuli a batteria sono al giorno d’oggi coinvolti in vari progetti pilota in tutto il mondo per la fornitura di servizi ancillari. Questo accade perché questi sistemi presentano alcune caratteristiche di interesse rispetto ai generatori elettrici tradizionali, che usualmente sono gli unici soggetti autorizzati a prendere parte al mercato dei servizi ancillari. In particolare, grazie al gradiente di potenza estremamente elevato che riescono a fornire e alla precisione nel seguire setpoint di potenza che li caratterizza, gli accumuli elettrochimici possono portare grande beneficio alla sicurezza della rete elettrica odierna, che affronta l’integrazione di Fonti Energetiche Rinnovabili non programmabili e aleatorie. La metodologia proposta è la simulazione della fornitura di molteplici servizi di rete su un periodo di 30 giorni, utilizzando un modello elettrico ed uno empirico per una cella agli ioni di litio implementati in Simulink. Il lavoro comprende lo sviluppo del controllore del modello, l’analisi e lo sviluppo di una procedura completa e replicabile per la rappresentazione accurata di servizi di rete, la validazione del modello empirico e la simulazione di varie combinazioni di fornitura di servizi, ossia di differenti schemi per la Regolazione Primaria e Secondaria di Frequenza. I risultati delle simulazioni sono stati esaminati ed elaborati dal punto di vista della certezza della fornitura (punto di vista dell’operatore della rete di trasmissione dell’energia) e del ritorno economico (punto di vista dell’investitore). Le simulazioni hanno mostrato notevoli prestazioni del sistema di accumulo nella fornitura del servizio richiesto. Nel caso studio migliore, la potenza non fornita è stata meno del 2% sul totale della potenza richiesta. Questo risultato è stato raggiunto sfruttando le caratteristiche favorevoli della fornitura di Riserva Secondaria in maniera asimmetrica. Dal punto di vista del ritorno economico, analizzando il caso del Mercato dei Servizi di Dispacciamento (MSD) italiano, i risultati hanno mostrato un tempo di ritorno di almeno 12 anni. Nello studio del contesto tedesco invece, il tempo di ritorno scende a 3 anni.