An integrated review of MV shipboard DC microgrids: zonal architectures, EMSs, and protection strategies

Driven by stringent International Maritime Organization (IMO) decarbonization regulations, the maritime industry is undergoing a paradigm shift toward All-Electric Ships (AES). This thesis develops a holistic design framework for Medium Voltage Direct Current (MVDC) Shipboard Microgrids (DC-SMGs) as a superior alternative to legacy AC architectures. By organizing the state-of-the-art into an integrated stack, the research analyzes Zonal Electrical Distribution Systems (DC-ZEDS), demonstrating how DC topologies decouple generation from frequency to enable the effective use of Variable Speed Generators (VSGs) and Hybrid Energy Storage Systems (HESS). A robust Hierarchical Control Architecture is defined, utilizing adaptive droop methods for primary stability and Model Predictive Control (MPC) for tertiary energy management. Furthermore, the study addresses critical stability challenges introduced by Constant Power Loads (CPLs) through active damping strategies and evaluates advanced protection schemes, including Solid-State Circuit Breakers (SSCBs) and artificial intelligence-based fault detection. The work concludes that DC-SMGs provide the necessary power density and "fight-through" survivability for next-generation vessels, establishing that effective operation requires the co-design of architecture, control, and protection layers to manage low-inertia dynamics.

Guidata dalle severe normative di decarbonizzazione dell'Organizzazione Marittima Internazionale (IMO), l'industria marittima sta vivendo un cambiamento di paradigma verso le Navi Completamente Elettriche (AES). Questa tesi sviluppa un quadro di progettazione olistico per le Microgrid di Bordo in Corrente Continua a Media Tensione (MVDC DC-SMG) come alternativa superiore alle architetture in CA tradizionali. Organizzando lo stato dell'arte in un sistema integrato, la ricerca analizza i Sistemi di Distribuzione Elettrica Zonale (DC-ZEDS), dimostrando come le topologie in CC disaccoppino la generazione dalla frequenza, consentendo l'uso efficace di Generatori a Velocità Variabile (VSG) e Sistemi di Accumulo Energetico Ibridi (HESS). Viene definita una robusta Architettura di Controllo Gerarchico, che utilizza metodi di droop adattativo per la stabilità primaria e il Controllo Predittivo basato su Modello (MPC) per la gestione energetica terziaria. Inoltre, lo studio affronta le criticità di stabilità introdotte dai Carichi a Potenza Costante (CPL) attraverso strategie di smorzamento attivo (active damping) e valuta schemi di protezione avanzati, inclusi gli Interruttori a Stato Solido (SSCB) e il rilevamento guasti basato sull'intelligenza artificiale. Il lavoro conclude che le DC-SMG forniscono la densità di potenza e la capacità di sopravvivenza (fight-through) necessarie per le navi di prossima generazione, stabilendo che un funzionamento efficace richiede la co-progettazione dei livelli di architettura, controllo e protezione per gestire le dinamiche a bassa inerzia.