Cruise ships cold ironing operation : shore connection design and short circuit analysis

In order to reduce air pollution emissions generated by berthed vessels, in recent years an increasingly number of harbors are being equipped for cold ironing. Such operation consists in supplying power to ships by the shore electrical system allowing them to switch off their on-board generators. This leads to the reduction of air and noise pollution, to the saving of fuel, and to the increase of generator lifetime. This thesis proposes the design of the high voltage shore connection (HVSC) for a modern cruise ship, whose loads demand 15MVA during berthing. In the first part, the attention is posed on the design of the shore power supply system and, particularly, on the frequency converter, which is needed to convert the electrical frequency of the continental Europe's grid (50 Hz) to the on-board required value (60 Hz). It is composed by two stages: an ac-dc rectifier and a dc-ac inverter. In order to obtain a bidirectional converter, both are realized using switch mode converters based on sinusoidal pulse width modulation (PWM). The second part deals with the fault analysis: three phase short circuits at ship and single phase-to-hull fault. To guarantee safety and protection of equipment and personnel, international standards require the neutral point of the HVSC system transformer to be earthed through a neutral grounding resistor (NGR). Such shore power supply system grounding design reduces the value of the ground fault current through the ship hull in case of earth fault at ship. Moreover, considerations about the impact caused by the presence of the grounding system of the ship's on-board generators are included. This work is concluded with a comprehensive assessment of the fault current in different operating scenarios. For each scenario, six study cases are analyzed varying the rating of the NGR. The range of values proposed has been set such that all the conditions imposed by the International Electrotechnical Commission (IEC)/International Organization for Standardization (ISO)/IEEE Standard 80005-1 are respected. The effectiveness of the results is proved through simulations in Matlab/Simulink environment.

Per ridurre l'inquinamento generato dalle navi attraccate alla banchina, sempre più porti si stanno attrezzando per il “cold ironing.” Questo funzionamento consiste nel fornire elettricità alla nave direttamente dalla rete terrestre consentendo quindi lo spegnimento dei generatori di bordo. Così facendo si risparmia carburante, si aumenta la vita utile del generatore e si riduce l'inquinamento acustico, oltre a quello atmosferico. In questa tesi è presentato un modello di connessione alla banchina per una moderna nave da crociera, i cui carichi richiedono una potenza di 15 MVA quando la nave è attraccata al porto. Nella prima parte l'attenzione è rivolta principalmente al sistema elettrico della banchina e in particolare al convertitore di frequenza che consente di convertire la frequenza dai 50 Hz della rete europea 60 Hz richiesti a bordo dalla maggior parte delle navi. Questo convertitore è composto da un raddrizzatore dc-ac e da un inverter ac-dc realizzati con convertitori di tipo “switch mode” in modo da ottenere un dispositivo bidirezionale. Nella seconda parte, invece, è trattata l'analisi ai guasti: corto circuito trifase sulla sbarra principale della nave e guasto monofase sullo scafo. Per garantire sicurezza e protezione del personale e delle apparecchiature, le norme internazionali richiedono che il neutro del trasformatore sia messo a terra tramite resistenza. Così facendo si riduce il valore della corrente di terra che attraversa lo scafo in caso di guasto monofase sulla nave. Infine, è stato analizzato anche l'impatto causato dalla presenza o meno del sistema di messa a terra dei generatori installati a bordo. Questo lavoro si conclude con un'analisi della corrente di guasto in diversi scenari operativi. Per ciascuno scenario sei casi studio sono stati presi in esame. Essi differiscono per la scelta del valore della resistenza usata per la messa a terra del trasformatore definendo così i casi limite per cui tutte le condizioni imposte dallo standard internazionale IEC/ISO/IEEE 80005-1 siano rispettate. I risultati presentati sono stati ottenuti tramite simulazioni su Matlab/Simulink.