Sistemi di accumulo a batteria per applicazioni domestiche : clusterizzazione di profili di scambio significativi e caratterizzazione sperimentale

Nowadays battery energy storage systems are spreading in several application among transmission network and distribution one, where in the latter they work coupled with power plants from non-programmable renewable sources. If this is a necessary step for the regulation and the stability of a power grid in a strong transition phase, at the same time the spread of such systems suffers for the lack of information about their field behaviour. In this context there is this thesis work, which has the purpose of finding a good procedure for the classification of daily battery profile for household application, in order to identify four different standard profiles which are representative of all the possible users. Besides, this procedure should have the feature of grouping profiles according to their characteristic battery efficiency. It is based on k-means clustering algorithm, that can identify clusters among profiles according to their Euclidean distance. This algorithm is aimed to find four clusters on profiles expressed in terms of maximum power in absolute value and maximum variation of battery energy content and can get result according to the initial requirement. In order to verify the quality of this result, a validation process is required. First, a numerical validation is performed thanks to a double RC branch battery model and to the definition of a Key Performance Index (KPI). Then, an experimental validation takes place with laboratory activity on Zhero system, a commercial battery energy storage system with a sodium-nickel chloride battery available in Politecnico di Milano IoT lab. The validation, in particular the numerical one, confirms consistency between the result of the cluster analysis and the initial purposes. Considering the availability of experimental data, the last part of this thesis is focused on characterization of Zhero system. In particular, it concerns an evaluation of the technical and economical performances of this system in solar energy self - consumption and primary frequency regulation application. Its behaviour with this last application is interesting because it is a service originally asked only to big power plants. Besides, it results to be a good test in order to validate the technical feasibility for BESS to contribute to the Ancillary Service Market (ASM).

I sistemi di accumulo a batteria stanno trovando oggigiorno numerose applicazioni a livello della rete elettrica di trasmissione e di quella di distribuzione, in quest’ultimo caso in accoppiamento a impianti da fonte rinnovabile non programmabile. Se questo è un passo necessario per la stabilità e la regolazione di un sistema elettrico in forte transizione, al tempo stesso la diffusione di sistemi di accumulo è limitata dalla carenza di informazioni sul loro reale funzionamento in campo. In tale contesto si inserisce questo lavoro di tesi, che si pone l’obiettivo di costruire una procedura robusta per la classificazione di profili giornalieri di batteria per applicazioni domestiche, così da identificare quattro profili standard che siano rappresentativi delle diverse utenze. Si richiede inoltre che la procedura sviluppata sia tale da inserire in ciascuna classe profili caratterizzati da rendimenti di batteria piuttosto simili, e comunque diversi da quelli tipici degli altri gruppi. Tale procedura si fonda sull’utilizzo del k-means, uno dei principali algoritmi di clusterizzazione, con il quale si riescono a creare raggruppamenti tra i profili di analisi sulla base delle loro distanze euclidee. Imponendo all’algoritmo di identificare quattro cluster diversi e caratterizzando i profili in termini di potenza massima in modulo e massima variazione del contenuto energetico della batteria, si ottiene un risultato consistente con gli obiettivi inizialmente fissati. Al fine di verificare la qualità di quanto ottenuto, si procede in primo luogo ad un processo di validazione numerica per mezzo di un modello di batteria a due rami RC e servendosi della definizione di un Key Performance Index (KPI). In secondo luogo, si attua una validazione sperimentale utilizzando il sistema Zhero, un sistema di accumulo commerciale a batteria sodio-cloruro di nichel di cui si dispone nel laboratorio IoT del Politecnico di Milano. L’esito della validazione, in particolare quella numerica, conferma la coerenza di quanto ottenuto con gli obiettivi prefissati. Disponendo già di dati sperimentali, l’ultima parte della trattazione sarà dedicata alla caratterizzazione del sistema Zhero, valutando le sue prestazioni dal punto di vista tecnico ed economico in applicazioni di autoconsumo della produzione locale e di regolazione primaria di frequenza, descrivendo in quest’ultimo caso il suo comportamento nell’erogazione di servizio originariamente richiesto solo alle grandi centrali di produzione. Ciò sarà anche un test per validare la fattibilità tecnica in merito alla partecipazione di un sistema di accumulo a batteria al Mercato dei Servizi di Dispacciamento (MSD).