BESS energy management strategies for multiple ancillary services provision

The scope of this work is to verify the ability of a Battery Energy Storage System (BESS) in providing Ancillary Services to the electrical grid. In particular, two services are investigated: Primary Control Reserve (PCR) and Secondary Control Reserve (SCR) provision. Firstly, only PCR provision is analysed considering both the Italian and German market models. Various State of Charge (SoC) restoration strategies are compared and the best one is optimized by varying its main parameters. Afterwards, multi-service provision is considered: PCR and asymmetric SCR. Either the Italian or the German market models are considered for PCR, while the SCR remuneration mechanism is inspired on the Italian scheme. The allocation of asymmetric SCR bands acts as a SoC control strategy. In case of multi-service, it is fundamental to forecast the SoC at the end of the following market session in order to optimally allocate SCR bands: different forecasting techniques are implemented and their performances on multi-service provision are evaluated. The first three chapters provide a literature review of: (i) BESS, with particular focus on the Li-ion technology adopted in this work; (ii) Ancillary Services Market, with particular attention to the Italian and German paradigms; (iii) predictive analytics, useful for multi-service implementation. In Chapter 4, the methodology is explained and the models of the BESS, PCR controller and SCR controller are presented. All the models are developed in a MATLAB®-Simulink™ environment. The last two chapters show the results of the simulations. Performance evaluation of both single and multi-service provision is mainly based on: (i) Loss of Regulation (LoR), as main indicator of technical performance; it is the percentage of power not provided with respect to the required quantity; (ii) Net Present Value (NPV) and Profitability Index (PI), as economic performance indices. The main outcomes show that: (i) in case of single service provision, all the SoC management techniques improve both technical and economic performances and SoC restoration without service interruption is the best strategy; (ii) in case of multi-service provision, asymmetric SCR band allocation based on forecasting tools works as a passive SoC restoration strategy, leading to enhanced energy fluxes, low values of LoR and positive economic return.

L’obiettivo di questo lavoro è verificare l’abilità dei sistemi d’accumulo a batteria (BESS) nel fornire servizi ancillari alle rete elettrica. In particolare, si analizzano due servizi: fornitura di riserva di controllo primaria (PCR) e secondaria (SCR). Inizialmente, si analizza esclusivamente la fornitura di PCR considerando sia il modello di mercato italiano che quello tedesco. Si confrontano varie strategie di controllo dello stato di carica (SoC) e si ottimizza la migliore. In seguito, si considera la fornitura di molteplici servizi: PCR e SCR asimmetrica. Per la PCR, si considerano i modelli di mercato italiano e tedesco, mentre la remunerazione della SCR si ispira allo schema italiano. L’allocazione di bande asimmetriche di SCR agisce come strategia di controllo del SoC. Nel caso di multi-servizio, è fondamentale prevedere lo stato di carica al termine della successiva sessione di mercato per allocare le bande di SCR in maniera ottimale: si implementano vari metodi di previsione e si valutano le loro prestazioni nella fornitura di multi-servizio. I primi tre capitoli forniscono una revisione letteraria su: (i) BESS, in particolar modo sulla tecnologia a ioni di litio adottata in questo studio; (ii) mercato dei servizi ancillari, con particolare attenzione al modello italiano e tedesco; (iii) analisi predittiva, utile all’implementazione del multi-servizio. Nel Capitolo 4, si presentano la metodologia e i modelli del BESS, del controllore PCR e del controllore SCR. Tali modelli sono sviluppati in ambiente MATLAB®-Simulink™. Gli ultimi due capitoli mostrano i risultati delle simulazioni. La valutazione delle prestazioni della fornitura di singolo o molteplici servizi si basa principalmente su: (i) perdita di regolazione (LoR), come principale indice tecnico; esso rappresenta la percentuale di potenza non fornita rispetto a quella richiesta; (ii) valore attuale netto (NPV) e indice di profittabilità (PI), come indici di valutazione delle prestazioni economiche. I risultati principali mostrano che: (i) nel caso di singolo servizio, tutta le strategie di gestione del SoC migliorano sia le prestazioni tecniche che economiche e il ripristino del SoC senza interruzione del servizio è la strategia migliore; (ii) nel caso di multi-servizio, l’allocazione di bande asimmetriche di SCR tramite l’utilizzo di metodi di previsione funge da strategia di ripristino del SoC, determinando maggiori flussi energetici, diminuendo la LoR e generando un ritorno economico positivo.