| dc.description.abstract | Skipsfartsindustrien er under sosialt og regulatorisk press for å redusere karbonisering av drift og klimagassutslipp. Elektrifisering er en grunnleggende faktor for å oppnå dette målet, spesielt når mengden fornybar kraft levert til overføringsnettet øker i samme hastighet som mengden kraft forbrukt. Når det gjelder elektrifisering av skipsindustrien, brukes kraftelektronikk og elektriske motordrifter i økende grad. Imidlertidig, med ny teknologi følger komplikasjoner med hensyn til systemets pålitelighet og stabilitet. Synkrongeneratorer i kombinasjon med trefasede diode-likerettere finnes i kraftsystemer om bord på skip i dag. Imidlertid har tidligere litteratur oppdaget ustabilitet, som er lite forstått, knyttet til slike systemer.
I dette studiet er en synkron generator koblet til et batteri gjennom en trefaset diode-likeretter under utredning. En forenklet modell er utviklet som forenkler studiet og hjelper til med forståelsen av adressert ustabil oppførsel. Den nye modellen ble implementert med ideen om å holde den så enkel som mulig, ved å kun inkludere systemkomponentene som antas å være nødvendige for å studere det ustabile fenomenet. Den forenklede modellen inneholder en femteordens synkron maskinmodell, en likeretter modell for gjennomsnittsverdi og en DC-krets. Den mekaniske delen av maskinen er neglisjert. DC-kretsen består av et batteri, modellert som en ideell DC-spenningskilde seriekoblet til en intern batterimotstand, og videre koblet parallelt med en filterkondensator. Den forenklede modellen er validert og sammenlignet med en detaljert simuleringsmodell implementert ved bruk av Simulink/Matlab systemblokker og har vist å etterligne den ganske bra.
Den forenklede modellen er videre linearisert og modal-analyseteknikker utføres. Et ustabilt par av komplekse egenverdier oppdages, deltakelsesfaktorer beregnes og følsomhetsanalyse utføres. Fem forskjellige synkrongeneratorsett vurderes under følsomhetsanalysen. Videre studeres forskjellige kombinasjoner av synkrongeneratorer, trefasede diode-likerettere og et batteri for å undersøke hvordan tilstedeværelsen av systemkomponenter påvirker tilstedeværelsen av ustabil oppførsel.
Dette studiet viser at det ustabile fenomenet forekommer uavhengig av en AVR og et Governor system/turbinregulerende system. Det viser også at ustabilitet oppstår selv om generatoren drives i fravær av et mekanisk system. Dermed er ikke velkjente rotorsvingninger en del av det underliggende problemet, og ustabiliteten betraktes som et elektromagnetisk fenomen, ikke et elektromekanisk fenomen. Videre, basert på det faktum at den forenklede modellen ble ustabil, til tross for at dynamikken knyttet til diodebryting ble fjernet, indikerer at diodekommuteringen som sådan ikke er en del av det underliggende problemet.
Følsomhetsanalysen som er utført indikerer at xd', xq' og xq er de systemparameterene som mest påvirker den reelle delen av det komplekse paret av ustabile egenverdier, etterfulgt av Tqo'' og xd''. Videre viser resultatene fra følsomhetsanalysen at systemet forbedrer stabiliteten ved å bevege systemet i en bestemt retning med hensyn til d- og q-akse-komponentene, enten ved å øke q-akse komponent og redusere d-akse komponent tilsvarende , eller motsatt. For eksempel, for å kunne påvirke systemstabiliteten positivt, ønsker systemet henholdsvis å øke xd' og Tqo'' og redusere xq' og Tdo''. Økning av xd' slik at xd' er tilstrekkelig nær verdien av xq' løser utfordringen angående lavfrekvente system oscillasjoner. Disse observasjonene er i samsvar med stabilitetskriteriene, (xq/(2xd')) ≤ 1, foreslått av tidligere litteratur for synkrongeneratorer som tilfredsstiller xq' = xq.
Dette studiet har videre vist at en ugunstig type DC-belastning, som ikke bidrar med tilstrekkelig demping, må være til stede for at det ustabile fenomenet skal oppstå. Dette indikerer videre at karakteristikkene knyttet til DC-belastningen, i tillegg til et ugunstig forhold mellom d-aksen og q-akse parameterene i generatoren, er sentrale når denne ustabiliteten vurderes.
For å konkludere, uavhengig av den underliggende årsaken som forårsaker ustabiliteten, kan det ustabile fenomenet betraktes som et forbigående elektromagnetisk fenomen som først og fremst avhenger av de forbigående reaktansene og tidskonstantene. | |
| dc.description.abstract | The shipping industry is under social and regulatory pressure to decarbonize its operation and reduce greenhouse gas emissions. Electrification is a fundamental factor in achieving this goal, especially when the amount of renewable power delivered to the transmission grid grows at the same rate as the power consumed. Concerning electrification of the shipping industry, power electronics converters and electric motor drives are being used at an increasingly rapid rate. However, with new technology follows complications regarding system reliability and stability. Synchronous generators in combination with three-phase diode-bridge rectifiers exist in shipboard power systems today. However, not well-understood instabilities are discovered by previous literature in such kind of systems.
In this thesis, a synchronous generator connected to a battery through a three-phase diode bridge rectifier is under study. A simplified model is developed, that facilitates studying and aiding the understanding of the addressed unstable behaviour. The new model was implemented with the idea of keeping it as simple as possible, only including the system components which are believed to be necessary in order to study the unstable phenomenon. The simplified model contains a fifth-order synchronous machine model, an average-value rectifier model, and a DC circuit. The mechanical part of the machine is neglected. The DC circuit consists of a battery, modelled as an ideal DC voltage source connected in series to an internal battery resistance, which is further connected in parallel with a filter capacitor. The simplified model is validated and compared to a detailed simulation model implemented using Simulink/Matlab system blocks and is shown to follow it quite well.
The simplified model is further linearized, and modal analysis techniques are performed. An unstable pair of complex eigenvalues are detected, participation factors are calculated, and sensitivity analysis is conducted. Five different synchronous generator sets are considered during the sensitivity analysis. Moreover, varying combinations of synchronous generators, three-phase diode-bridge rectifiers, and a battery, are studied to explore how the presence of system components affect the presence of the unstable behaviour.
This thesis shows that the unstable phenomenon occurs independently of an AVR and a Governor system. It also shows that instability occurs even though the generator is operated in the absence of a mechanical system. Thus, well-known rotor oscillations are not a part of the underlying problem, and the instability is considered an electromagnetic phenomenon, not an electromechanical phenomenon. Further, based on the fact that the simplified model became unstable, despite that the dynamics associated with diode switching were removed, this indicates that the diode commutation as such is not part of the underlying problem.
The sensitivity analysis conducted indicates xd', xq' and xq to be the system parameters influencing the real part of the complex pair of unstable eigenvalues the most, followed by Tqo'' and xd''. Furthermore, the sensitivity analysis results show that the system improves stability by moving in a specific direction with respect to the d- and q-axis components, either by increasing the q-axis component and decreasing the corresponding d-axis component, or the opposite. As an example, in order to positively affect the system stability, the system wants to increase xd' and Tqo'' and decrease xq' and Tdo'', respectively. Increasing xd' such that xd' is sufficient close to the value of xq', solves the challenge concerning low-frequency system oscillations. These observations are in accordance with the stability criteria, (xq/(2xd')) ≤ 1, proposed by previous literature for synchronous generators satisfying xq' = xq.
This study has further shown that an unfavourable type of DC load, not contributing with sufficient damping, needs to be present for the unstable phenomenon to occur. This further indicates that the characteristics associated with the DC load, in addition to an unfavourable relationship between the d-axis and q-axis parameters in the generator, are important parts related to the instability.
To conclude, regardless of the underlying reason causing the instability, the unstable phenomenon can be considered a transient electromagnetic phenomenon that primarily depends on the transient reactances and time constants. | |
