State-space modelling and small-signal analysis of a hybrid ship AC distributed power system with a Virtual Synchronous Machine

Abstract

Den virtuelle synkronmaskinen er utviklet som en tilnærming for å gi fleksibel kontroll av omformere for energilagringssystemer koblet til kraftsystemer. Ved å etterligne driftstjenestene som en synkronmaskinen kan tilby, kan den virtuelle synkronmaskinene støtte driften av et kraftsystemet, samt bytte sømløst mellom nettilkobling og øydrift. I denne oppgaven er det gjennomført et analytiskstudie av et hybrid skipskraftsystem ved bruk av en virtuell synkronmaskin implantasjon for kraftkontroll. Små signal modellering og analyse med støtte fra en elektrisk simulering har blitt brukt til de analytiske studien av kraftsystemet.

Hybridarkitektur i skip har vist mulighetene for å redusere utslipp og drivstofforbruk med opptil $ 30 \% $ til $ 50 \% $. Lastutjevning, toppbarbering, sentrifugeringsreserve, nullutslippsdrift og strategisk belastning er alle driftsmåter som kan bidra til redusert drivstofforbruk i skip. Bruk av en virtuell synkronmaskin koblet til et energilagringssystem kan gi de nevnte fordelene til hybridarkitekturen, samt gi en fleksibel distribuert kontroll av den kraftelektronisk omformer ved å imitere oppførselen til en synkronmaskin.

Tilnærmingen av kraftsystemet har vært basert på linearisering, og har vist seg å være svært effektiv for å vurdere systemets stabilitet. For små forstyrrelser samsvarer den lineariserte tilstands-romrepresentasjonen tett med den elektriske modellen som inkluderer systemets ulineariteter. De presenterte numeriske resultatene bekreftet stabiliteten for små signal-modellen over hele det angitte driftsområdet til systemet. Gjennom parametrisk følsomhet er det observert at plasseringen av systemets kritiske egenverdier kan påvirkes ved å øke den virtuelle treghetskonstanten, $ T_a $, og dempningskoeffisienten $ k_ {d, v s m} $. En mer ønskelig frekvensrespons for systemet er oppnådd ved å øke initialverdiene til de nevnte parameterne.

The virtual synchronous machine (VSM) has been developed as an approach to provide flexible control of power electronic converters with energy storage systems (ESSs) to power systems. By providing ancillary services of the synchronous machine (SM), it can support power system operation and transition seamlessly between grid-connected and islanded operation. In this thesis, an analytical study of a hybrid ship power system using a VSM for power control has been conducted. Small-signal modeling and analysis with the support of an electrical simulation have been used for the analytical study of the power system.

Ship hybrid architecture has shown the capabilities of reducing emissions and fuel consumption by up to $30\%$ to $50\%$. Load leveling, peak shaving, spinning reserve, zero-emission operation, and strategic loading are all operating modes that can contribute to the reduction of fuel consumption. The VSM in conjunction with an ESS can provide the benefits of the hybrid architecture and at the same time provide flexible distributed control of power electronic converter, by imitating the behavior of the SM.

In general, the applied approach based on linearization has proven to be very effective for assessing of the stability of the system. For small perturbations, the linearized state-space representation closely matches the electrical model that includes the non-linearities of the system. The presented numerical results verified the small-signal stability over the entire designated operating range of the system. Through parametric sweep analysis it has been observed that the placement of the system's critical modes can be affected by increasing the virtual inertia constant, $T_a$, and the damping coefficient $k_{d, v s m}$. A more desirable frequency response for the system has been achieved by increasing the initial values of the mentioned parameters.