Modelado y análisis de sistemas de distribución en DC orientado a buques con propulsión eléctrica

Abstract

The benefits of using Power Electronics Based DC Distribution Systems in electrically propelled vessels are well known. However, some aspects must be deeply analyzed to guarantee a safe, robust and stable system by design. This thesis presents a multivariable DC Distribution System mathematical model, where all the transmission lines and filters impedances are considered. The model has been tackled under a holistic approach in which the average small-signal model of the drives/converters can be easily added and ‘connected’ to the main grid model. The stability and power quality analysis, as well as the design and tuning of controls and active damping strategies can be conducted through this mathematical model at low computational cost. The usefulness of this model in the early design stages is thus presented in this thesis through its application over a realistic design scenario and the performance of the proposed model is proven into a real test bench which presents a configuration and architecture quite close to the one used in a real vessel. The carried out tests prove the suitability of the proposed model, becoming a significant tool to get an improved design.

Este trabajo de tesis presenta un modelo analítico multivariable y de bajo coste computacional orientado a analizar aspectos como la estabilidad, el comportamiento dinámico y la calidad de señal de sistemas de distribución en DC basados en electrónica de potencia o PEB-DCDS (Power Electronics Based DC Distribution Systems) de distintas configuraciones. Los PEB-DCDS son una solución atractiva para buques con propulsión eléctrica, especialmente destinados a aplicaciones ‘offshore’ que requieran un sistema de posicionamiento dinámico del buque. Estos sistemas de distribución ofrecen numerosas ventajas como la operación más eficiente de los grupos de generación de energía (se transmite únicamente potencia activa y se puede trabajar a frecuencia variable), la paralelización de generadores es más fácil ya que no es necesaria ninguna sincronización, posibilita la integración de energías renovables y sistemas de almacenamiento, aumenta el espacio disponible para carga dada la reducción del espacio, volumen y peso del sistema eléctrico y se reducen las emisiones contaminantes entre otras. Primero, se describe el modelo analítico que contempla una red de distribución DC, las impedancias parásitas presentes en ésta y los diferentes convertidores conectados al sistema. Después, se presentan las utilidades del modelo a la hora de realizar análisis de estabilidad, de respuesta dinámica y de calidad de señal. También se propone un método de sintonía para el lazo de control de tensión de bus DC con el objetivo de que el sistema cumpla con las especificaciones de respuesta dinámica y garantice la protección del convertidor encargado de generar la tensión de la red de distribución ante perturbaciones bruscas de potencia. Además, se analiza el efecto de los parámetros del sistema (parámetros de diseño y de los convertidores conectados a la red) sobre la estabilidad del mismo. La validación del modelo se lleva a cabo en el entorno de simulación Matlab/SimulinkTM & SimPower SystemsTM así como sobre una plataforma de ensayos que posee una configuración y arquitectura cercana a la de un buque real. Para ello, los ensayos se llevan a cabo con diferentes configuraciones de PEB-DCDS y ante distintas perturbaciones. Finalmente, se propone una estrategia de control de amortiguamiento activo que permite mitigar el efecto de las resonancias de la red DC (debidas a la combinación de las impedancias parásitas de las líneas y los condensadores de bus de los convertidores conectados a la red) sobre la estabilidad del sistema y la calidad de señal. Esta estrategia de control permite amortiguar las oscilaciones debidas a las resonancias mediante el control del propio convertidor y actúa sin influir en la dinámica de control principal del mismo.