Medium Voltage DC integrated power systems for large all electric ships

The Medium Voltage Direct Current (MVDC) distribution represents a promising technology for future shipboard power systems. In such a topic, during the last years, universities and reserch centers have proposed technical solutions to achieve the important targets of MVDC technology, for instance fuel saving, reducing power system weight/space, reconfigurability in case of fault and enhanced power quality. Conversely, the main challenge to face regards voltage control, which has to be capable for guaranteeing the paramount requirement of stability. In regards to this aspect, a possible instability may arise due to the presence of high-bandwidth controlled load converters, modeled as Constant Power Loads (CPLs). Such non-linear loads are seen from the system as negative incremental resistances which are the cause of voltage instability in presence of a perturbation (e.g. load connection, generating system disconnection). The thesis has been realized in the Laboratory of Grid Connected and Marine Electric Power Generation and Control (EPGC Lab.), at the University of Trieste. The aim is to develop voltage control strategies to solve the CPL issue in a realistic multi-converter MVDC Integrated Power System, which is conveniently designed considering a real cruise line MVAC distribution. In such a system, voltage instability may be engage by different approaches, exploiting plant solutions (addition of dedicated filters, addition of energy storage devices) or control solutions. The latter is followed in this thesis: in this case voltage actuators (DC/DC power converters) are used to compensate for the voltage instability: therefore, on one hand (load side) power converters are responsible for the non-linear loads’ issue but, on the other (generators side), they may be utilized to contribute in its solution, thus ensuring a stable behavior. The stabilizing approach foresees the employment of different control techniques, whose theory is focused in the thesis. Starting from the simplier State Feedback (SF), two techniques are mostly studied in the multi-converter arrangement, i.e the Active Damping (AD) and the Linearization via State Feedback (LSF). The AD is a control method to transiently increase the filter resistances in order to damp the voltage oscillations: one of the main pros is the simple implementation on digital controllers, whereas the drawback regards its limited stabilizing action. Therefore, strategies based on Active Damping are to be used to stabilize non-critical systems. Conversely, LSF is a well-performing technique to obtain a notable cancellation of the non-linearities related to CPLs, by exploiting the DC/DC converters to apply a proper non-linear control function. Against the notable capability in stabilizing critical systems, great attention is to be paid in control function’s estimation: inaccurate system parameters or errors in controller’ feedbacks may invalidate the LSF approach, determining a partial loop-cancellation, therefore a non-linear resulting power system. Final simulations are aimed in testing AD and LSF, implemented in global and local control strategies: the former strategy has the purpose to solve the instability directly on CPLs, whereas the second one ensures the bus stability.

La distribuzione in media tensione continua (Medium Voltage Direct Current, MVDC) rappresenta una tecnologia promettente per i sistemi elettrici navali del futuro. A tal riguardo, negli ultimi anni, università e centri di ricerca hanno proposto soluzioni tecniche tali da raggiungere gli obiettivi propri della tecnologia MVDC: fra gli altri, risparmio di carburante, riduzione del peso/ingombro dell’impianto elettrico, riconfigurabilità a fronte di guasti e miglioramento della power quality. D’altra parte, la più grande sfida da affrontare riguarda la regolazione della tensione che deve risultare in grado di garantire il requisito fondamentale della stabilità. Relativamente a questo aspetto, una possibile instabilità si manifesta in presenza di convertitori di carico a banda elevata, modellizzabili come carichi a potenza costante (Constant Power Loads, CPLs). Tali carichi non-lineari vengono visti dal sistema come resistenze incrementali negative, le quali rappresentano la causa dell’instabilità della tensione a fronte di un disturbo (per esempio connessione di carico, disconnessione di un sistema di genenerazione). La tesi è stata realizzata presso il Laboratorio Grid Connected and Marine Electric Power Generation and Control (EPGC Lab.), presso l’Università degli Studi di Trieste. Lo scopo è quello di sviluppare strategie per il controllo della tensione in grado di risolvere la questione CPL, considerando un possibile impianto elettrico integrato (multi-convertitore) in MVDC, convenientemente progettato a partire dalla distribuzione reale MVAC di una nave da crociera. Nel sistema visto, l’instabilità di tensione può essere affrontata secondo diversi approcci, sfruttando soluzioni impiantistiche (aggiunta di filtraggio dedicato, aggiunta di energy storage) oppure soluzioni controllistiche. Il secondo approccio è quello seguito nella presente tesi: gli attuatori di tensione (convertitori DC/DC) vengono usati in questo caso per compensare l’instabilità di tensione. Quindi, da una parte (lato carico) i convertitori sono responsabili del problema dei carichi non-lineari, dall’altro (lato generatori) possono essere utilizzati per contribuire alla sua soluzione, garantendo un comportamento stabile. L’approccio stabilizzante previsto prevede l’utilizzo di diverse tecniche di controllo, analizzate nella tesi dal punto di vista teorico. A partire dalla tecnica semplice State Feedback (SF), altre due tecniche sono state studiate per il caso di sistema multi-converter, ovvero l’Active Damping (AD) e il Linearization via State Feedback (LSF). L’AD è un metodo di controllo per incrementare transitorialmente la resistenza dei filtri, in modo tale da smorzare le oscillazioni di tensione: uno dei principali vantaggi è quello relativo alla semplice ingegnerizzazione su controllori digitali, mentre lo svantaggio riguarda la limitata azione stabilizzante. Pertanto, strategie basate sull’AD devono considerarsi valide per stabilizzare sistemi non critici. D’altra parte, LSF è una tecnica molto valida per ottenere una buona cancellazione delle non-linearità dei CPL, per mezzo dell’azione di convertitori DC/DC in grado di applicare un’opportuna funzione di controllo non-lineare. A fronte di una notevole capacità nello stabilizzare sistemi critici, grande attenzione va posta nella stima della funzione di controllo: conoscenza inaccurata dei parametri o errori nei feedback ai controllori possono invalidare l’approccio LSF, causando una parziale cancellazione, quindi un sistema risultante non-lineare. Le simulazioni finali hanno lo scopo di testare le tecniche AD e LSF, implementate in strategie di controllo locale e globale: la prima strategia ha lo scopo di risolvere l’instabilità direttamente sui CPL, mentre la seconda assicura la stabilità del bus.