Marine electrical systems : towards a DC distribution

The aim of the thesis is to analyze the state of the electrical systems on board ships by focusing on direct current distribution which is now the evolution in the marine environment. Unfortunately, the available material on the marine electrical systems is scarce and fragmented, consisting mostly of technical articles that deepen particular aspects but does not clarify the operation of the system as a whole. The thesis is divided into five chapters. In the first chapter, the different types of vessel are described; also in the paragraph dedicated to the rated voltages and frequencies, an overview of the values ​​and standards used both in alternating current systems than in those of new direct current generation is given. In the chapter two we wanted to draw attention to the main components of the onboard electrical system such as generators, motors, power converters for starting and control and the distribution system. Chapter three deals with state of the art propulsion systems. It is given ample space to the description of the diesel-electric system, its advantages compared to the traditional diesel propulsion but also the problems arising from fluctuations typical of these systems. Finally, the section on innovative distribution systems introduces the operation of the so-called zone system, which will then be widely taken up in chapter four implementing it with the distribution system in DC. The multi terminal networks are the main subject of chapter four. After a brief introduction about the main characteristics of the system in continuous emphasis it is given to the concept of network multi terminal MVDC, comparing, for completeness, with the already consolidated MVAC systems. In fact, many recent studies in the field of fully electric ships sector, also known as AES (all-electric ship) provide an architecture of the onboard distribution system, SPS (shipboard power system), based on in medium voltage DC systems (MVDC) and processed by the IEEE 1709-2010 standard that considers the different aspects. The thesis concludes with chapter five on the voltage quality on board ships. The effects of heavy loads in naval electrical systems, enormously affect power quality; the on-board distribution network, in fact, is not comparable in terms of power and stability to that of a terrestrial network and analyze this aspect and the methodologies used to mitigate network disturbance phenomena is thought of as more relevant.

Lo scopo di questa tesi è analizzare lo stato dell’arte dei sistemi elettrici a bordo delle navi focalizzando l’attenzione sulla distribuzione in corrente continua che rappresenta oggi l’evoluzione in ambiente navale. Purtroppo il materiale a disposizione riguardante i sistemi elettrici navali è scarso e frammentario, composto per lo più da articoli tecnici che approfondiscono aspetti particolari senza tuttavia chiarire il funzionamento del sistema nel suo complesso. Una ricerca bibliografica siffatta è risultata onerosa in termini di tempo ma contemporaneamente stimolante per la stesura di un documento completo ed esaustivo sui sistemi elettrici navali e sulla distribuzione in corrente continua senza tralasciare le criticità che si riscontrano e le soluzioni allo studio. Il lavoro di tesi si articola in cinque capitoli. Nel primo capitolo è sembrato doveroso descrivere i diversi tipi di nave e in base a quali aspetti vengono classificate; inoltre nel paragrafo dedicato alla classificazione in tensione e frequenza si è data una visione d’insieme dei valori e degli standard utilizzati sia nei sistemi in corrente alternata che in quelli di nuova generazione in corrente continua. All’interno del capitolo due si è voluto richiamare l’attenzione sui componenti principali che caratterizzano il sistema elettrico di bordo quali i generatori, motori, convertitori elettronici per l’avviamento e il controllo e il sistema di distribuzione stesso. Il capitolo tre affronta lo stato dell’arte dei sistemi di propulsione. Viene dato ampio spazio alla descrizione del sistema diesel-elettrico, ai suoi vantaggi rispetto alla propulsione diesel tradizionale ma anche ai problemi derivanti dalle oscillazioni tipiche di questi sistemi. Infine il paragrafo sui sistemi di distribuzione innovativi introduce il funzionamento del cosiddetto sistema a zona, che verrà poi ripreso ampiamente nel capitolo quattro implementandolo con il sistema di distribuzione in DC. Le reti multiterminali sono l’argomento principale del capitolo quattro. Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche principali del sistema in continua viene dato risalto al concetto di rete multiterminale MVDC, confrontandolo, per completezza di trattazione, con i sistemi MVAC già consolidati. Infatti, molti studi recenti nel settore delle navi completamente elettriche, dette anche AES (all-electric ship) prevedono un’architettura del sistema di distribuzione di bordo, SPS (shipboard power system), basato su sistemi in corrente continua in media tensione (MVDC) e trattati dallo standard IEEE 1709-2010 che ne considera i diversi aspetti. La tesi si conclude con il capitolo cinque sulla qualità della tensione a bordo delle navi. Gli effetti dei grossi carichi nei sistemi elettrici navali, influiscono enormemente sulla qualità dell’alimentazione; la rete di distribuzione a bordo, infatti, non è paragonabile in termini di potenza e stabilità a quella di una rete terreste e analizzare questo aspetto e le metodologie usate per mitigare i fenomeni di disturbo della rete è sembrato di quanto più rilevante.