Medium Voltage DC integrated power systems for large all electric ships

La distribuzione in media tensione continua (Medium Voltage Direct Current, MVDC) rappresenta una tecnologia promettente per i sistemi elettrici navali del futuro. A tal riguardo, negli ultimi anni, università e centri di ricerca hanno proposto soluzioni tecniche tali da raggiungere gli obiettivi propri della tecnologia MVDC: fra gli altri, risparmio di carburante, riduzione del peso/ingombro dell’impianto elettrico, riconfigurabilità a fronte di guasti e miglioramento della power quality. D’altra parte, la più grande sfida da affrontare riguarda la regolazione della tensione che deve risultare in grado di garantire il requisito fondamentale della stabilità. Relativamente a questo aspetto, una possibile instabilità si manifesta in presenza di convertitori di carico a banda elevata, modellizzabili come carichi a potenza costante (Constant Power Loads, CPLs). Tali carichi non-lineari vengono visti dal sistema come resistenze incrementali negative, le quali rappresentano la causa dell’instabilità della tensione a fronte di un disturbo (per esempio connessione di carico, disconnessione di un sistema di genenerazione). La tesi è stata realizzata presso il Laboratorio Grid Connected and Marine Electric Power Generation and Control (EPGC Lab.), presso l’Università degli Studi di Trieste. Lo scopo è quello di sviluppare strategie per il controllo della tensione in grado di risolvere la questione CPL, considerando un possibile impianto elettrico integrato (multi-convertitore) in MVDC, convenientemente progettato a partire dalla distribuzione reale MVAC di una nave da crociera. Nel sistema visto, l’instabilità di tensione può essere affrontata secondo diversi approcci, sfruttando soluzioni impiantistiche (aggiunta di filtraggio dedicato, aggiunta di energy storage) oppure soluzioni controllistiche. Il secondo approccio è quello seguito nella presente tesi: gli attuatori di tensione (convertitori DC/DC) vengono usati in questo caso per compensare l’instabilità di tensione. Quindi, da una parte (lato carico) i convertitori sono responsabili del problema dei carichi non-lineari, dall’altro (lato generatori) possono essere utilizzati per contribuire alla sua soluzione, garantendo un comportamento stabile. L’approccio stabilizzante previsto prevede l’utilizzo di diverse tecniche di controllo, analizzate nella tesi dal punto di vista teorico. A partire dalla tecnica semplice State Feedback (SF), altre due tecniche sono state studiate per il caso di sistema multi-converter, ovvero l’Active Damping (AD) e il Linearization via State Feedback (LSF). L’AD è un metodo di controllo per incrementare transitorialmente la resistenza dei filtri, in modo tale da smorzare le oscillazioni di tensione: uno dei principali vantaggi è quello relativo alla semplice ingegnerizzazione su controllori digitali, mentre lo svantaggio riguarda la limitata azione stabilizzante. Pertanto, strategie basate sull’AD devono considerarsi valide per stabilizzare sistemi non critici. D’altra parte, LSF è una tecnica molto valida per ottenere una buona cancellazione delle non-linearità dei CPL, per mezzo dell’azione di convertitori DC/DC in grado di applicare un’opportuna funzione di controllo non-lineare. A fronte di una notevole capacità nello stabilizzare sistemi critici, grande attenzione va posta nella stima della funzione di controllo: conoscenza inaccurata dei parametri o errori nei feedback ai controllori possono invalidare l’approccio LSF, causando una parziale cancellazione, quindi un sistema risultante non-lineare. Le simulazioni finali hanno lo scopo di testare le tecniche AD e LSF, implementate in strategie di controllo locale e globale: la prima strategia ha lo scopo di risolvere l’instabilità direttamente sui CPL, mentre la seconda assicura la stabilità del bus.