BESS power plant controller stability considering delays

Power systems are changing to ensure a cleaner, more reliable, and more affordable energy supply. Central to this transformation is the optimisation of renewable energy sources utilisation while ensuring robust safety margins and system flexibility. Grid-scale energy storage systems, notably Battery Energy Storage Systems (BESS), offer flexibility and scalability in energy storage and distribution. Their increasing adoption reflects a growing shift towards sustainable energy solutions, with projections indicating a substantial rise in installed capacity to support net-zero emissions targets. This thesis focuses on active and reactive power regulation in BESS power plants through analytical tuning methods. The critical concern of time delays within the control systems of BESS power plants is analysed. The objective is the formulation of an analytical tuning method for the Power Plant Controller's (PPC) active and reactive power setpoint regulators. The primary goal of this tuning methodology is both to guarantee the stable operation of the BESS power plant and to ensure compliance with the specified grid code requirements. The analysis involves the fundamental components of a BESS power plant. A control loop model for the BESS power plant has been implemented using Simulink, and an additional model for Hardware-in-the-Loop testing has been prepared. The thesis introduces a BESS power plant model, subjecting it to various scenarios through Simulink simulations to evaluate the efficacy of the tuning procedure. The development process for the regulator tuning method, along with the analysis of the possible effects of long time delays on regulators' performances, provides valuable insights into the essential requirements for the design and operation of a process with time delay, and the importance of a fast and well designed PPC.

I sistemi energetici stanno cambiando per garantire un approvvigionamento energetico più pulito, affidabile e conveniente. Fondamentale per questa trasformazione è l'ottimizzazione dell'utilizzo delle fonti di energia rinnovabili, garantendo al contempo margini di sicurezza e flessibilità del sistema. I sistemi di accumulo di energia su larga scala, in particolare i sistemi di accumulo elettrochimico (Battery Energy Storage Systems o BESS) offrono flessibilità e scalabilità. La loro crescente diffusione riflette la transizione verso soluzioni energetiche sostenibili, con proiezioni che indicano un aumento sostanziale della capacità installata per sostenere gli obiettivi di zero emissioni. Questa tesi si concentra sulla regolazione della potenza attiva e reattiva di un impianto BESS attraverso metodi di regolazione analitici. L'analisi si concentra sul problema dei ritardi temporali all'interno dei sistemi di controllo degli impianti BESS. L'obiettivo è formulare un metodo di regolazione analitica per i regolatori di potenza attiva e reattiva del Controllore Centrale di Impianto (Power Plant Controller o PPC) il cui scopo principale è di garantire il funzionamento stabile dell'impianto di accumulo e assicurarne la conformità ai requisiti del codice di rete. L'analisi coinvolge i componenti principali di una centrale BESS e utilizzando Simulink è stato realizzato un modello dell'anello di regolazione della centrale BESS. In aggiunta, é stato preparato un modello per i test in ambiente Hardware-in-the-Loop. La tesi introduce un modello di centrale BESS, sottoponendolo a vari scenari attraverso simulazioni Simulink per valutare l'efficacia della procedura di regolazione. Lo sviluppo del metodo di calibrazione del regolatore, unitamente all'analisi dei possibili effetti dei ritardi nella catena di controllo sulle prestazioni del regolatore, fornisce utili informazioni sui requisiti essenziali per la progettazione e il funzionamento di un processo con ritardo temporale e sull'importanza di un PPC veloce e ben progettato.