Assessing grid-code compliance of BESS: an in-depth analysis study of Terna attachment A79

The modern power system dynamics are evolving to accommodate the growing penetration of renewable energy sources (RES). Grid-scale energy storage, particularly Battery Energy Storage Systems (BESS), has gained increasing traction as a key enabler of the energy transition, serving as a crucial system in various applications. Despite their increasing deployment, large-scale BESS faces significant compliance challenges related to grid integration. While these aspects of technical requirements received limited attention in the past, the increasing adoption of converter-based generators connected to the grid has heightened concerns for grid stability and operational reliability. At present, BESS must undergo validated field compliance test prior to their connection to the national grid, in accordance with the grid code requirements. Additionally, Transmission System Operators (TSOs) typically demand a simulation model from the BESS operator to verify compliance with grid code standards, ensuring reliable operation and stability support. Accordingly, this thesis investigates the compliance requirements and constraints associated with BESS integration into transmission networks, with specific reference to the Italian grid code (Terna, Attachment A79). The development of this work is centred on three main pillars: the theoretical framework, grid code regulation, and software-in-loop simulation (SIL). Consequently, an equivalent aggregate simulation model has been created using DIgSILENT PowerFactory to evaluate the technical capabilities of a currently under-construction standalone BESS plant. The dynamic model comprises a simplified representation of the battery cell (and pack), as it is computationally efficient while maintaining a reasonable degree of accuracy. This allows for simulating the effects of the battery charging/discharging and terminal voltage variations. The aggregate model enables the BESS operator to simulate key operating modes, such as frequency and voltage regulation, State of Charge (SoC) management, and constant active and reactive power control. Simulation results from the aggregated model provide valuable insights into the plant’s dynamic behaviour with respect to the BESS compliance requirement. By evaluating its performance in active and reactive power provision under varying grid conditions, the results demonstrate its ability to meet grid code specifications, which include response time, reference tracking, stability contribution, and fault current handling. Overall, this thesis contributes to the industry by providing an in-depth study of the technical requirements and operation of BESS, as well as how a well-defined model requirement can help BESS operators and TSOs effectively assess and monitor the plant's dynamic support to the grid, thereby enhancing system performance and grid compliance validation.

La dinamica dei moderni sistemi di alimentazione elettrica sta evolvendo per adattarsi alla crescente diffusione delle fonti energetiche rinnovabili (FER). Lo stoccaggio di energia su scala di rete, in particolare i sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS), ha acquisito sempre più importanza come fattore chiave della transizione energetica, fungendo da sistema cruciale in varie applicazioni. Nonostante la loro crescente diffusione, i BESS su larga scala devono affrontare significative sfide di conformità relative all'integrazione nella rete. Sebbene in passato questi aspetti dei requisiti tecnici abbiano ricevuto scarsa attenzione, la crescente adozione di generatori basati su convertitori collegati alla rete ha accentuato le preoccupazioni relative alla stabilità della rete e all'affidabilità operativa. Attualmente, i BESS devono essere sottoposti a test di conformità sul campo convalidati prima del loro collegamento alla rete nazionale, in conformità con i requisiti del codice di rete. Inoltre, i gestori dei sistemi di trasmissione (TSO) richiedono in genere un modello di simulazione all'operatore BESS per verificare la conformità agli standard del codice di rete, garantendo un funzionamento affidabile e il supporto alla stabilità. Di conseguenza, questa tesi indaga i requisiti di conformità e i vincoli associati all'integrazione dei BESS nelle reti di trasmissione, con specifico riferimento al codice di rete italiano (Terna, Allegato A79). Lo sviluppo di questo lavoro si concentra su tre pilastri principali: il quadro teorico, la regolamentazione del codice di rete e la simulazione software-in-loop (SIL). Di conseguenza, è stato creato un modello di simulazione aggregato equivalente utilizzando DIgSILENT PowerFactory per valutare le capacità tecniche di un impianto BESS autonomo attualmente in costruzione. Il modello dinamico comprende una rappresentazione semplificata della cella (e del pacco) della batteria, in quanto è efficiente dal punto di vista computazionale pur mantenendo un ragionevole grado di accuratezza. Ciò consente di simulare gli effetti della carica/scarica della batteria e delle variazioni di tensione terminale. Il modello aggregato consente all'operatore BESS di simulare le modalità operative chiave, quali la regolazione della frequenza e della tensione, la gestione dello stato di carica (SoC) e il controllo costante della potenza attiva e reattiva. I risultati della simulazione ottenuti dal modello aggregato forniscono preziose informazioni sul comportamento dinamico dell'impianto rispetto ai requisiti di conformità del BESS. Valutando le sue prestazioni nella fornitura di potenza attiva e reattiva in condizioni di rete variabili, i risultati dimostrano la sua capacità di soddisfare le specifiche del codice di rete, che includono tempo di risposta, tracciamento di riferimento, contributo alla stabilità e gestione della corrente di guasto. Nel complesso, questa tesi contribuisce al settore fornendo uno studio approfondito dei requisiti tecnici e del funzionamento del BESS, nonché di come un requisito di modello ben definito possa aiutare gli operatori BESS e i TSO a valutare e monitorare efficacemente il supporto dinamico dell'impianto alla rete, migliorando così le prestazioni del sistema e la convalida della conformità della rete.