Design of hardware in the loop simulation framework for marine power system applications

Continuity of service can be considered the most important electric plant feature, especially in case of specific plants like hospital or aircraft where a lack of power supply, also for short period of time, can lead to some serious problems and possible loss in terms of human lives. Due to the fast development of Marine Power System, and the introduction of All Electrical Ships (AESs), the ships become part of these kinds of plants too. Large cruise ships are an example of the complexity that ship plants reached. They can be considered as floating cities, and they are fundamentally a kind of isolated systems. That's why they should be provided by their own generation plant and their own distribution system that supply all the electric power to all the onboard loads. For all these reasons, the design of a suitable protection system becomes the main challenge for an electric plant designer. To verify the protection system effectiveness a test is necessary. Typically, the test procedure involves the whole plant construction, or part of it, and the behaviour analysis of the protections inside it, so, large costs in terms of time and money. The introduction of smarter protection devices with countless protection features leads to new testing technologies. Hardware In the Loop technology gives the possibility to integrate a real device with a simulation model avoiding the real plant building, for this reason, the test possibilities and effectiveness increased in an exponential way drastically reducing the costs. In the Open Lab R&D ABB SACE department, where this work has been developed, HIL technology is largely exploited also to show to costumer the new devices potentiality and effectiveness. This work is focused on the design of a simplified simulation model, representing a cruise ship. Particular attention has been dedicated to the unit generation model considered in all its parts, starting from the prime mover, the alternator and the excitation system with the objective to purpose a realistic model for a diesel generator, easily usable in different cases. The model has been designed by the well-known software Simulink, in order to exploit its powerful features in simulation modelling. HIL simulation has been carried on employing the cRIO-9031, a National Instruments controller. Therefore, Simulink software has been combined with Veristand software, a National Instrument tool, that guaranteed the good communication between Simulink and National Instrument devices. The model has been firstly tested to verify its effectiveness behind Real-Time targets, in a second time it has been integrated with a real protection device and several fault test conditions have been analysed. The main goal has been to observe the reaction of the generator unit under different fault conditions, focusing on electrical and mechanical variables, and in the meanwhile observe how the integration between model and device could be affect simulation time or protection device effectiveness.

La continuità del servizio può essere considerata una delle caratteristiche più importanti degli impianti elettrici soprattutto nel caso di impianti speciali quali ospedali o aeromobili dove, una mancanza di alimentazione, seppur per brevi periodi, può comportare seri problemi e possibili perdite in termini di sicurezza per le persone. Grazie al rapido sviluppo dei sistemi navali e con l’introduzione delle cosiddette All Electrical Ships (AESs), le navi sono entrate a far parte di queste speciali categorie di impianti. Le grandi navi da crociera sono un esempio dell’enorme complessità raggiunta degli impianti elettrici navali. Esse possono essere considerate città galleggianti e dunque sistemi isolati a tutti gli effetti. In quanto sistemi isolati esse sono provviste di un sistema di generazione proprio e di un sistema di distribuzione dedicato che provvede all’alimentazione dei diversi gruppi di carichi. Per tutte queste ragioni la progettazione di un adeguato sistema di protezione diventa la principale sfida dei progettisti. Al fine di verificare l’efficacia dei sistemi di protezione deve essere effettuato un numero consistente di test sugli impianti stessi; il metodo di test classico consiste nella costruzione dell’impianto, o parte di esso, ed il test dei dispositivi di protezione in diverse condizioni di lavoro; questo approccio comporta un elevato costo in termini di tempo e risorse. L’introduzione di dispositivi di protezione sempre più intelligenti e dotati di numerose possibilità di protezione ha portato ad innovative tecniche di test. La tecnologia Hardware In the Loop (HIL) dà la possibilità di integrare un dispositivo di protezione reale con un impianto simulato evitando la necessità di costruire l’impianto stesso; grazie a questa caratteristica le possibilità di test sono state incrementate in maniera esponenziale ed i costi si sono ridotti drasticamente. Nella sezione Open Lab R&D di ABB SACE (Bergamo), dove è stato sviluppato questo lavoro di tesi, la tecnologia HIL è anche largamente utilizzata per mostrare la potenzialità dei nuovi dispositivi ABB a clienti, tecnici e personale in formazione. Questo lavoro di tesi è focalizzato sulla costruzione di un modello per simulazione HIL di un impianto navale semplificato. Particolare attenzione è stata dedicata alla modellizzazione della unità generativa in tutte le sue parti; dal motore primo, al sistema di eccitazione, fino al modello dell’alternatore con l’obbiettivo di fornire un modello di generatore diesel che producesse un sistema trifase di correnti e tensioni ed includesse nella simulazione le dinamiche meccaniche ed elettriche del generatore stesso; il modello così ottenuto potrà poi essere utilizzato anche per altre applicazioni. Il modello è stato costruito attraverso il noto software di simulazione SIMULINK Matlab. La simulazione HIL è stata implementata sfruttando il cRIO-9031, trattandosi di un controllore di National Instruments, NI Veristand, è stato affiancato a SIMULINK Matlab al fine di interfacciare le due diverse realtà. Il modello è stato inizialmente testato al fine di verificarne l’efficacia in tempo reale, successivamente è stato integrato con un dispositivo reale e la reazione del dispositivo in diverse condizioni di fault è stata analizzata. L’obbiettivo principale è stato quello di osservare la reazione del modello dell’unità generativa in diverse condizioni di guasto, focalizzandosi sulle variabili elettriche e meccanica al fine di capire se la complessità del modello potesse influire negativamente sulle prestazioni del dispositivo di protezione integrato.