Fault analysis in utility-scale battery energy storage system

Due to environmental pollution issues and global warming, there is a growing transition from fossil fuels to renewable energy sources, more clean and sustainable. But some of those sources suffer from their inherent intermittency. As a result, energy storage systems continue to gain momentum to be one of the solutions for the deployment of renewable energy sources. Progress in battery technology on a utility-scale joined with advanced power electronics has granted lots of benefits in many grid-support applications. However, the presence of distributed generators and energy storage systems, connected by power electronics, affect the behavior of the power system in case of fault. Intensity and variation of fault currents with time depend on the grounding arrangements of the elements connected to the grid, as well as on the way electronic devices such as converters react in case of a fault condition. This thesis considers a 1 MW/4 MWh grid-connected battery energy storage system. Based on the state of the art of battery technology, power electronic converter control, and the existing studies on faults in LVDC distribution systems, we investigated the effects of short circuit and ground-fault conditions on the DC section of the system. To this purpose, several fault conditions were simulated, considering also the behavior of electronic equipment, such as converters, the contribution of the energy storage, and the AC grid response. Resulting behavior of fault currents, as well as possible strategies for fault protection, were then considered and discussed.

A causa dell'inquinamento e del riscaldamento globale, è in corso una transizione dalle fonti energetiche fossili a quelle rinnovabili, più pulite e sostenibili. Ma alcune di tali fonti sono intrinsecamente intermittenti: di conseguenza, i sistemi di accumulo di energia si propongono come soluzione che permette il passaggio alle fonti rinnovabili. Il progresso tecnologico nelle batterie, così come nell'elettronica di potenza, ha già prodotto grandi benefici nelle applicazioni utility-scale connesse alla rete. Tuttavia, la presenza della generazione distribuita e dei sistemi di accumulo, connessi attraverso elettronica di potenza, modifica il comportalmento del sistema in caso di guasto. L'intensità e la variazione nel tempo delle correnti di guasto dipendono dalla messa a terra e dal modo in cui le apparecchiature elettroniche, come i convertitori, reagiscono in caso di guasto. Questa teso considera un sistema di accumulo di energia a batterie connesso alla rete. La potenza è 1MW e la capacità 4MWh. Sulla base dello stato dell'arte della tecnologia delle batterie e nel controllo dell'elettronica di potenza, e degli studi precedenti sui guasti nei sistemi a bassa tensione in corrente continua, si esaminano gli effetti del corto circuito e del guasto a terra nella sezione in corrente continua del sistema. Allo scopo sono state effettuate simulazioni di diverse condizioni di guasto, considerando anche il comportamento delle apparecchiature elettroniche, come i convertitori, il contributo dell'accumulo, e la risposta della rete in corrente alternata. In conclusione vengono riportati e discussi gli andamenti risultanti per le correnti di guasto, e vengono proposte alcune possibili strategie di protezione.