Climate change and pollution are driving every human activity towards a more caring and responsible behavior. As one of the latter, shipping has a considerable impact on the yearly emissions accounting, so the adoption of Emission Controlled Areas is likely to increase in the next years. This means that the need for more efficient and ecological vessels is going to grow as well. Since it is not economically reasonable to substitute entire fleets in a few decades, a possible solution could be represented by retrofitting existing vessels with the introduction of new battery storage systems onboard. These expedients can allow ship driving systems to be operated in many different ways, guaranteeing a reduction in the fossil fuel consumption and therefore a limited environmental impact. As it has to be interfaced to an already existing (and enlarged) three-phase AC microgrid, the battery storage system needs a conversion stage, which represents one of the points of main interest within this thesis. For this purpose, a three-phase voltage source converter is the natural choice, while the control strategy have been here based on the Virtual Synchronous Machine implementation. The system have been represented and simulated using Simulink. All the elements have been simplified and modelled, then their behaviour under different configurations and operations have been studied and simulated, giving back reasonable results. The stability of the grid have been proved in both the grid following and grid forming modalities for the virtual synchronous machine, allowing to hypothesize and verify some zero emissions or emissions lowering operating conditions for such a power system.

La consapevolezza verso i problemi legati ai cambiamenti climatici e, più in generale, all’ambiente sta guidando ogni attività umana verso scelte in tal senso più oculate, tramite una rivoluzione nei modi e negli usi di tutte le risorse. Non ultimo, il settore della navigazione, che ha un impatto non trascurabile dal punto di vista delle emissioni, sta venendo e verrà sempre più investito da questa necessaria onda di rinnovamento, con l’introduzione e l’inasprimento di normative ambientali, in particolare nelle aree portuali. Sebbene lo studio e la realizzazione di nuove navi ad alimentazione completamente o parzialmente elettrica siano delle realtà già delineate, è economicamente chiaro che la maggior parte dei vascelli esistenti non possano essere dismessi e sostituiti da quelli di nuova generazione in tempi ragionevolmente brevi. Per quanto detto, ad oggi la soluzione più appetibile è rappresentata del retrofitting, ossia l’ibridazione del sistema di alimentazione di una nave già esistente tramite l’inserimento di dispositivi di accumulo elettrostatico (batterie, supercap) e/o celle combustibili. Su questo presupposto si è basata la stesura di questa tesi, con cui ci si è proposti di modellizzare la tipica rete elettrica di una nave andando ad aggiungere una unità di accumulo la cui connessione fosse gestita mediante un inverter controllato come una macchina sincrona virtuale. Per farlo si è utilizzato Simulink, l’ambiente di simulazione di Matlab, implementando i pacchetti dedicati. Scopo dello studio era quello di dimostrare la possibilità di gestire tale rete in un contesto rinnovato, che dia spazio a nuove possibilità operative che consentano di rispettare agevolmente le nuove norme da un lato, e aprano a possibili migliorie nella gestione del sistema elettrico a bordo dall’altro. La topologia e la tipologia del sistema di partenza, così come il suo dimensionamento, sono stati scelti sulla base di modelli tipici del settore, con riferimento agli studi e ai documenti precedenti sopra citati. Il sistema di partenza si compone di un unico bus AC a cui sono connessi i diversi elementi. Per la generazione dispone di due macchine sincrone a poli salienti, alimentate a diesel o altro combustibile e direttamente connesse alla rete in quanto dimensionate per la comune tensione e potenza nominale. Per la propulsione sono invece utilizzati due motori elettrici. La loro connessione alla rete è gestita da inverter trifase controllati per mantenere costante la tensione del bus lato DC, bus a cui poi sono connessi dei secondi convertitori per il controllo in potenza dei carichi. Un ulteriore elemento di carico è costituito dal bus dedicato alle utenze, il quale viene ricavato mediante l’impiego di un trasformatore abbassatore trifase. A completare la rete c’è quello che rappresenta l’oggetto di maggiore interesse ai fini della tesi, cioè la macchina sincrona virtuale (VSM). Essa si compone di un pacco di batterie collegato alla rete tramite un inverter trifase controllato come una VSM. Nello specifico, la connessione al bus AC è realizzata mediante un doppio link che favorisce una gestione più elastica delle configurazioni di rete. La tecnica di controllo è stata scelta tra una rosa di VSM disponibili in letteratura, sulla base della convenienza e della difficoltà di implementazione. Era infatti necessario adottarne uno che consentisse il funzionamento in isola dello stesso, per poter simulare anche l’esercizio del sistema con i generatori sincroni spenti. Per questo motivo è stato adottato il modello di VSM controllato in corrente disponibile in, con la differenza che per ricavare il valore istantaneo della frequenza di rete, utile a definire la componente di smorzamento nel modello d'inerzia, è stato adottato un PLL anziché un filtro. La costruzione di tutti gli elementi del sistema è stata completata con discreto successo, così come la loro coesistenza nella stessa rete.

Operation of a VSM controlled converter in a two bus marine power system

FRATTINI, LORENZO
2021/2022

Abstract

Climate change and pollution are driving every human activity towards a more caring and responsible behavior. As one of the latter, shipping has a considerable impact on the yearly emissions accounting, so the adoption of Emission Controlled Areas is likely to increase in the next years. This means that the need for more efficient and ecological vessels is going to grow as well. Since it is not economically reasonable to substitute entire fleets in a few decades, a possible solution could be represented by retrofitting existing vessels with the introduction of new battery storage systems onboard. These expedients can allow ship driving systems to be operated in many different ways, guaranteeing a reduction in the fossil fuel consumption and therefore a limited environmental impact. As it has to be interfaced to an already existing (and enlarged) three-phase AC microgrid, the battery storage system needs a conversion stage, which represents one of the points of main interest within this thesis. For this purpose, a three-phase voltage source converter is the natural choice, while the control strategy have been here based on the Virtual Synchronous Machine implementation. The system have been represented and simulated using Simulink. All the elements have been simplified and modelled, then their behaviour under different configurations and operations have been studied and simulated, giving back reasonable results. The stability of the grid have been proved in both the grid following and grid forming modalities for the virtual synchronous machine, allowing to hypothesize and verify some zero emissions or emissions lowering operating conditions for such a power system.
2021
Operation of a VSM controlled converter in a two bus marine power system
La consapevolezza verso i problemi legati ai cambiamenti climatici e, più in generale, all’ambiente sta guidando ogni attività umana verso scelte in tal senso più oculate, tramite una rivoluzione nei modi e negli usi di tutte le risorse. Non ultimo, il settore della navigazione, che ha un impatto non trascurabile dal punto di vista delle emissioni, sta venendo e verrà sempre più investito da questa necessaria onda di rinnovamento, con l’introduzione e l’inasprimento di normative ambientali, in particolare nelle aree portuali. Sebbene lo studio e la realizzazione di nuove navi ad alimentazione completamente o parzialmente elettrica siano delle realtà già delineate, è economicamente chiaro che la maggior parte dei vascelli esistenti non possano essere dismessi e sostituiti da quelli di nuova generazione in tempi ragionevolmente brevi. Per quanto detto, ad oggi la soluzione più appetibile è rappresentata del retrofitting, ossia l’ibridazione del sistema di alimentazione di una nave già esistente tramite l’inserimento di dispositivi di accumulo elettrostatico (batterie, supercap) e/o celle combustibili. Su questo presupposto si è basata la stesura di questa tesi, con cui ci si è proposti di modellizzare la tipica rete elettrica di una nave andando ad aggiungere una unità di accumulo la cui connessione fosse gestita mediante un inverter controllato come una macchina sincrona virtuale. Per farlo si è utilizzato Simulink, l’ambiente di simulazione di Matlab, implementando i pacchetti dedicati. Scopo dello studio era quello di dimostrare la possibilità di gestire tale rete in un contesto rinnovato, che dia spazio a nuove possibilità operative che consentano di rispettare agevolmente le nuove norme da un lato, e aprano a possibili migliorie nella gestione del sistema elettrico a bordo dall’altro. La topologia e la tipologia del sistema di partenza, così come il suo dimensionamento, sono stati scelti sulla base di modelli tipici del settore, con riferimento agli studi e ai documenti precedenti sopra citati. Il sistema di partenza si compone di un unico bus AC a cui sono connessi i diversi elementi. Per la generazione dispone di due macchine sincrone a poli salienti, alimentate a diesel o altro combustibile e direttamente connesse alla rete in quanto dimensionate per la comune tensione e potenza nominale. Per la propulsione sono invece utilizzati due motori elettrici. La loro connessione alla rete è gestita da inverter trifase controllati per mantenere costante la tensione del bus lato DC, bus a cui poi sono connessi dei secondi convertitori per il controllo in potenza dei carichi. Un ulteriore elemento di carico è costituito dal bus dedicato alle utenze, il quale viene ricavato mediante l’impiego di un trasformatore abbassatore trifase. A completare la rete c’è quello che rappresenta l’oggetto di maggiore interesse ai fini della tesi, cioè la macchina sincrona virtuale (VSM). Essa si compone di un pacco di batterie collegato alla rete tramite un inverter trifase controllato come una VSM. Nello specifico, la connessione al bus AC è realizzata mediante un doppio link che favorisce una gestione più elastica delle configurazioni di rete. La tecnica di controllo è stata scelta tra una rosa di VSM disponibili in letteratura, sulla base della convenienza e della difficoltà di implementazione. Era infatti necessario adottarne uno che consentisse il funzionamento in isola dello stesso, per poter simulare anche l’esercizio del sistema con i generatori sincroni spenti. Per questo motivo è stato adottato il modello di VSM controllato in corrente disponibile in, con la differenza che per ricavare il valore istantaneo della frequenza di rete, utile a definire la componente di smorzamento nel modello d'inerzia, è stato adottato un PLL anziché un filtro. La costruzione di tutti gli elementi del sistema è stata completata con discreto successo, così come la loro coesistenza nella stessa rete.
VSM
Converter
Marine power system
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/28982