Power Systems for Deep Sea Mining Applications, With Focus on Stability
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2625899Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2500]
Sammendrag
Grunnet den stadig økende etterspørselen etter mineraler og den reduserte malmkvaliteten ilandbaserte gruver, har gruveindustrien nå begynt å se mot mulighetene som skjuler seg på bunnenav de store havdyp. Kartleggingen av havbunnen har til nå vært begrenset og det forventesat det finnes områder med betydelige forekomster av mineraler med høyt innhold av sjeldnemetaller som gull, sølv, kobber og kobolt. Noen av de mest mineralrike stedene har blitt funneti nærheten av vulkansk aktive og tektoniske soner. Prøver tatt fra disse lokasjonene harindikert eksepsjonelt høy malmkvalitet, der mange overstiger det som er funnet i majoriteten avlandbaserte gruver. Langs Atlanterhavsryggen mellom Jan Mayen og Svalbard er det oppdagetstore mineralforekomster relatert til såkalte hydro-termiske skorsteiner. Blant de oppdagedelokasjonene har Lokeslottet, på 2400 meter dyp, blitt anerkjent som en av de mest lovende stedenefor framtidig mineralutvinning. Per nå er det få produksjonssystemer som er utviklet forundersjøisk gruvedrift. Det er derfor av stor interesse for utviklingen av fremtidige systemer atoperasjonelle og designrelaterte problemer for denne typen systemer blir identifisert.
Denne oppgaven har, gjennom studier av eksisterende konsepter og forskning innen feltet undersjøiskgruvedrift, foreslått en modell for det elektriske kraftsystemet knyttet til et undersjøiskgruvesystem. Modellen er utviklet med den hensikt å kunne undersøke stabilitetsproblemerknyttet til et isolert kraftsystem basert på kraftomformerteknologi. Produksjonssystemetutviklet av selskapet Nautilus Minerals har dannet grunnlaget for modellen. Basert på tilgjengeligforskning har et DC-distribuert system med en enkelt kraftforsyningskabel blitt foreslått.Systemet er designet for en dybde på 3500 meter, med sikte på å operere i farvann innenfornorsk jurisdiksjon. To separate modeller har blitt utviklet i MATLAB / SIMULINK, en modelli tidsdomenet og en linearisert modell for "small-signal" analyse. For å redusere kompleksitetener systemet modellert som en "point-to-point" DC-link knyttet til en kraftinverterer somforsyner en stor induksjonsmaskin. De to modellene brukes til a utføre systematiske sanalyserfor å få oversikt over hvordan tuningen av regulatorene påvirker systemets stabilitet og hvordansystemets stabilitetsgrenser påvirkes under forskjellige driftsforhold. Studien har vist at styrkentil kraftforsyningen på forsyningsskipet har en sterk påvirkning på stabiliteten til systemet. Veden kortslutningsytelsesrate på 2 har det blitt observert at overføringsevnen til systemet reduseresbetydelig, til en grad der systemet ikke lenger er i stand til å dekke kraftbehovet til produksjonssystemet.Det har også blitt observert en rekke lavfrekvente svingninger under ustabile forhold,noe som indikerer et følsomt system, som lett blir eksitert selv ved nominell drift. Due to the ever-increasing demand for minerals and the depletion of terrestrial mines, the eyesof the mining industry has begun to look towards the great depths of the ocean. The deep seais expected to hide sites with massive deposits rich in rare minerals such as gold, silver, copperand cobalt. Some of the richest locations have been found in proximity to highly active volcanicand tectonic zones. Samples taken from these locations have indicated exceptionally highore grades, exceeding what is found in most terrestrial mines. Along Mohn’s ridge betweenSvalbard and Jan Mayen, numerous seafloor massive sulphur (SMS) deposits, related to activeand extinct hydro-thermal vents, have been discovered. Among the discovered sites is Loki’sCastle, at a depth of 2400 meters, recognized as one of the most promising locations for theextraction of minerals. At this point, there are few production systems developed for deep seamining (DSM) applications. Hence, it is of great interest for the development of future systemsto identify operational and design related issues for this kind of systems.
This thesis has through studies of existing concepts and research on the field of deep sea mining,developed a model for the electrical power system of a DSM production system. The model isdeveloped with the intention of investigating the power system stability issues related to suchan isolated system with converter-fed loads. A production system developed by the companyNautilus Minerals has formed the base of the study. Based on the literature research a DC distributedsystem with a centralized submersed power hub is proposed. The system is designedfor a depth of 3500 meters, with the intention of operating in sites located in waters within Norwegianjurisdiction. A time-domain model and a linearized model for small signal analysis havebeen developed in the MATLAB/SIMULINK environment. The developed model configurationis a point-to-point DC-link supplying a variable speed drive connected to a large induction machine.The two models are used for systematic analyses of relevant test cases, with the intentionof investigating the impact of the converter controllers and to reveal the stability limits of thesystem under different operating conditions. The results have shown that the strength of thepower system of the supply vessel is critical for the stability limits of the system. When theon-board system has a short circuit ratio of 2, the power transfer capability has been identifiedto deteriorate to an extent where the system is incapable of satisfying the power requirementof the sub-sea system. Low-frequency oscillations have been detected related to the instabilityevents, indicating a system that is easily excited even at nominal conditions.