Introduction of DC and storage systems in shipboard electric systems

The high penetration of natural commutated power electronics converter for electric propulsion systems, along with the requirements of high quality of service for some kinds of loads, has led to the study of the introduction of DC and storage systems in shipboard electric systems. This thesis aims to make evidence on how these technologies can improve power system's operation. It is worth noting that the majority of results is also valid for stationary applications. After a general overview of power electronics converters and storage systems suitable to be used for shipboard applications, this work investigates shipboard distribution systems. A particular attention is paid to zonal electrical distribution systems with AC or DC primary feeders. Uninterruptible loads are installed inside DC zones and they can simultaneously be supplied by different feeders. This feature is achieved thanks to the proposed control strategies that are based on droop curves. The quality of supply is further increased by the installation of storage systems. Numerical simulation results are shown to validate theoretical analyses. DC zones can also be used for isolating distorting loads from the AC network, thanks to DC immunity to harmonics and the installation of forced commutated power electronics converters. Numerical simulations show how a hybrid system (AC with DC zones), together with both high-pass and single-tuned filters can improve the power quality of the AC part of the system, satisfying regulation requirements. In addition to data communication line, power electronics converters play a crucial role to correctly operate an electric system. For this reason, two multi-port converters have been developed. Their main features are port voltage decoupling, power flow management and fault clearance. Both pole-to-pole and pole-to-ground faults are investigated and several solutions are proposed to clear the latter. This thesis also proposes an algorithm for local stability verification for each multi-port converter. The behavior of the converters under several functioning conditions is validated by numerical simulations and experimental tests. DC zones and storage systems can also be exploited for providing ancillary services to the AC part of the system. In particular, the management of an AC island by a Front End Converter (FEC) and the short-circuit power increasing are investigated. For what concerns AC islanding, the originality of FEC control is the emulation of a voltage source, instead of a current source. In this way, the converter is ready to supply AC loads after islanding way-in. Furthermore, transients are reduced during both islanding way-in and way-out. The proposed control strategy is tested by numerical simulations. Shipboard short-circuit power is limited and circuit breakers may not trip after a fault. Consequently, a fault can result in safety and selectivity issues. Several solutions are proposed in this thesis. One of them is explained in literature by means of a theoretical treatise and numerical simulations. This thesis validates it by experimental tests for completeness and improvements.

L'elevata penetrazione di convertitori elettronici a commutazione naturale per la propulsione, insieme alle richieste di un'elevata qualità del servizio da parte di alcuni tipi di carichi, ha portato allo studio dell'introduzione della corrente continua e dei sistemi di accumulo negli impianti elettrici navali. Lo scopo di questa tesi è mettere in evidenza come queste tecnologie possano migliorare la gestione degli impianti di potenza. E' utile far notare che la maggior parte dei risultati ottenuti è valida anche per applicazioni stazionarie. A seguito di una panoramica generale sui convertitori elettronici e sui sistemi di accumulo adatti per applicazioni stazionarie, questo lavoro studia i sistemi elettrici navali di distribuzione. Un'attenzione particolare è stata posta ai sistemi elettrici di distribuzione di tipo zonale, aventi i montati principali alimentati in Corrente Alternata (CA) o Corrente Continua (CC). I carichi non interrompibili sono installati all'interno di zone in CC e possono essere alimentati simultaneamente da diversi montanti. Questa caratteristica è ottenuta attraverso le strategie di controllo proposte, basate su curve di statismo. La qualità dell'alimentazione è ulteriormente migliorata grazie all'installazione di sistemi di accumulo. L'analisi teorica è validata mediante delle simulazioni numeriche. Le isole in CC possono essere impiegate anche per isolare i carichi distorcenti dalla rete in CA, grazie all'immunità della CC alle armoniche e all'installazione di convertitori elettronici a commutazione forzata. Le simulazioni numeriche presentate nella tesi mostrano come un sistema ibrido (in CA con isole in CC), accoppiato con filtri passa-basso e passa-banda, possa migliorare la qualità dell'alimentazione della parte in CA del sistema, soddisfando i requisiti normativi. In aggiunta alla linea di comunicazione dei dati, i convertitori elettronici coprono un ruolo di fondamentale nella gestione di un sistema elettrico. Per tale motivo, sono stati sviluppati due convertitori multi-porta. Le loro caratteristiche principali sono il disaccoppiamento delle tensioni alle porte, la gestione dei flussi di potenza e l'estinzione dei guasti. Sono studiati sia i guasti polo-polo che quelli polo-terra e sono proposte diverse soluzioni per eliminare quest'ultimi. La tesi propone anche un algoritmo per verificare la stabilità locale di entrambe i convertitori multi-porta. Il comportamento dei convertitori in diverse condizioni di funzionamento è validato attraverso simulazioni numeriche e prove sperimentali. Le zone in CC e i sistemi di accumulo possono anche essere sfruttati per fornire dei servizi ancillari alla parte di rete elettrica in CA. In particolare, si analizzano la gestione di un'isola in CA da parte di un Font End Converter (FEC) e l'incremento della potenza di corto-circuito. Per quanto riguarda l'isola in CA, l'originalità nel controllo del FEC è l'emulazione di un generatore di tensione, invece che di corrente. In questo modo, il convertitore è pronto ad alimentare i carichi in CA a seguito dell'ingresso del funzionamento in isola. Inoltre, si riducono sia i transitori di ingresso e che quelli di uscita dall'isola. La strategia di controllo proposta è testata attraverso simulazioni numeriche. La potenza di corto-circuito a bordo delle navi è limitata e ciò può causare la non apertura degli interruttori a seguito di un guasto. Di conseguenza, si può incorrere in problemi legati alla sicurezza e alla selettività. Questa tesi propone diverse soluzioni al problema. Una di queste è studiata in letteratura, dal punto di vista teorico e delle simulazioni numeriche. In questo lavoro, è validata attraverso prove sperimentali per completezza e miglioramenti.