Accurate Battery Modelling for Control Design and Economic Analysis of Lithium-ion Battery Energy Storage Systems in Smart Grid

Abstract

Adoption of lithium-ion battery energy storage systems (Li-ion BESSs) as a flexible energy source (FES) has been rapid, particularly for active network management (ANM) schemes to facilitate better utilisation of inverter based renewable energy sources (RES) in power systems. However, Li-ion BESSs display highly nonlinear performance characteristics, which are based on parameters such as state of charge (SOC), temperature, depth of discharge (DOD), charge/discharge rate (C-rate), and battery-aging conditions. Therefore, it is important to include the dynamic nature of battery characteristics in the process of the design and development of battery system controllers for grid applications and for techno-economic studies analyzing the BESS economic profitability.

This thesis focuses on improving the design and development of Li-ion BESS controllers for ANM applications by utilizing accurate battery performance models based on the second-order equivalent-circuit dynamic battery modelling technique, which considers the SOC, C-rate, temperature, and aging as its performance affecting parameters. The proposed ANM scheme has been designed to control and manage the power system parameters within the limits defined by grid codes by managing the transients introduced due to the intermittence of RESs and increasing the RES penetration at the same time. The validation of the ANM scheme and the effectiveness of controllers that manage the flexibilities in the power system, which are a part of the energy management system (EMS) of ANM, has been validated with the help of simulation studies based on an existing real-life smart grid pilot in Finland, Sundom Smart Grid (SSG). The studies were performed with offline (short-term transient-stability analysis) and real-time (long-term transient analysis) simulations.

In long-term simulation studies, the effect of battery aging has also been considered as part of the Li-ion BESS controller design; thus, its impact on the overall power system operation can be analyzed. For this purpose, aging models that can determine the evolving peak power characteristics associated with aging have been established. Such aging models are included in the control loop of the Li-ion BESS controller design, which can help analyse battery aging impacts on the power system control and stability. These analyses have been validated using various use cases. Finally, the impact of battery aging on economic profitability has been studied by including battery-aging models in techno-economic studies.

Aurinkosähköjärjestelmien ja tuulivoiman laajamittainen integrointi sähkövoimajärjestelmän eri jännitetasoille on lisääntynyt nopeasti. Uusiutuva energia on kuitenkin luonteeltaan vaihtelevaa, joka voi aiheuttaa nopeita muutoksia taajuudessa ja jännitteessä. Näiden vaihteluiden hallintaan tarvitaan erilaisia joustavia energiaresursseja, kuten energiavarastoja, sekä niiden tehokkaan hyödyntämisen mahdollistaviea älykkäitä ja aktiivisia hallinta- ja ohjausjärjestelmiä.

Litiumioniakkuihin pohjautuvien invertteriliitäntäisten energian varastointijärjestelmien käyttö joustoresursseina aktiiviseen verkonhallintaan niiden pätö- ja loistehon ohjauksen avulla on lisääntynyt nopeasti johtuen niiden kustannusten laskusta, modulaarisuudesta ja teknisistä ominaisuuksista. Litiumioniakuilla on erittäin epälineaariset ominaisuudet joita kuvaavat parametrit ovat esimerkiksi lataustila, lämpötila, purkaussyvyys, lataus/ purkausnopeus ja akun ikääntyminen. Akkujen ominaisuuksien dynaaminen luonne onkin tärkeää huomioida myös akkujen sähköverkkoratkaisuihin liittyvien säätöjärjestelmien kehittämisessä sekä teknis-taloudellisissa kannattavuusanalyyseissa.

Tämä väitöstutkimus keskittyy ensisijaisesti aktiiviseen verkonhallintaan käytettävien litiumioniakkujen säätöratkaisuiden parantamiseen hyödyntämällä tarkkoja, dynaamisia akun suorituskykymalleja, jotka perustuvat toisen asteen ekvivalenttipiirien akkumallinnustekniikkaan, jossa otetaan huomioon lataustila, lataus/purkausnopeus ja lämpötila. Työssä kehitetyn aktiivisen verkonhallintajärjestelmän avulla tehtävät akun pätö- ja loistehon ohjausperiaatteet on validoitu laajamittaisten simulointien avulla, esimerkiksi paikallista älyverkkopilottia Sundom Smart Gridiä simuloimalla. Simuloinnit tehtiin sekä lyhyen aikavälin offline-simulaatio-ohjelmistoilla että pitkän aikavälin simulaatioilla hyödyntäen reaaliaikasimulointilaitteistoa.

Pitkän aikavälin simulaatioissa akun ikääntymisen vaikutus otettiin huomioon litiumioniakun ohjauksen suunnittelussa jotta sen vaikutusta sähköjärjestelmän kokonaistoimintaan voitiin analysoida. Tätä tarkoitusta varten luotiin akun ikääntymismalleja, joilla on mahdollista määrittää akun huipputehon muutos sen ikääntyessä. Akun huipputehon muutos taas vaikuttaa sen hyödynnettävyyteen erilaisten pätötehon ohjaukseen perustuvien joustopalveluiden tarjoamiseen liittyen. Lisäksi väitöstutkimuksessa tarkasteltiin akkujen ikääntymisen vaikutusta niiden taloudelliseen kannattavuuteen sisällyttämällä akkujen ikääntymismalleja teknis-taloudellisiin tarkasteluihin.