Modeling of a Maritime DC-distribution System Supplied from a Diode Rectifier Connected Synchronous Generator

Abstract

Strenge utslippsreglement har blitt introdusert i den maritime sektor av den Internasjonale Maritime Organisasjon. Ny og eksiterende teknologi er analysert med høyt fokus på å utvikle mer miljøvennlige løsninger. DC distribusjonssystem er en gammel teknologi som har fått nytt liv takket være utviklinger innen løsninger med kraftelektronikk. DC distribusjonssystemet har muligheter for drivstoffbesparelse som ikke er tilgjengelig i AC-systemer. Målet med denne oppgaven er å utvikle modeller for systemet som kan brukes for kontrollsystemdesign og stabilitetsanalyse.

Systemet i denne oppgaven består av en synkrongenerator, en diodelikeretter og en DC-linkkondensator. En diodebro er å foretrekke i mange tilfeller grunnet lav pris og enkel kontrollstruktur. Det er ikke mulighet for spenningskontroll i en diodebro. Regulering av DC-linkspenningen blir derfor realisert gjennom regulering av generatorens feltstrøm.

En modell som inneholder de ulike systemelementene er blitt konstruert. Modellen er linearisert, Laplacetransformert og representert i et signalflytdiagram. En transferfunksjons som beskriver relasjonen mellom felt spenningen og felt strømmen er utledet ved at signalflytdiagrammet er node- og grenredusert. Denne transferfunksjonen er brukt i feltkontrollerinnstilliger.

Teorien presentert i denne rapporten danner et solid grunnlag for videre modellering, kontrollerdesign og stabilitetsanalyser. Metoden presentert for å utlede feltkontrollerinnstilligene presenter kan benyttes for videre utvikling av standardiserte innstillingsmetoder for slike system. Videre utredning av modellering, stabilitet og innstilliger av fellstrømkontroller er nødvendig. Disse utfordringene bør prioriteres før videre arbeid rundt designet av spenningskontolleren fortsetter.

Strict emission regulations have been introduced to the maritime sector by the International Maritime Organization. New and existing technology are evaluated with an increased focus on developing environmentally friendly solutions. The DC-distribution system is an old technology which has been revitalized by the progression in the power electronic solutions. The DC-distribution system offers fuel saving potentials not accessible in its AC-counterpart. The objective of this thesis is to develop system models applicable for control system design purposes and stability analysis.

The system consists of synchronous generator, diode rectifier and a DC-link capacitor. Diode rectifiers are preferred in many cases due to low prince and simple control structures. However, diode rectifier has no option for voltage control. The DC-link voltage control is therefore realized through generator field current regulation.

A model containing the different system elements was constructed. The model was linearized, Laplace transformed and represented as a signal flow diagram. A transfer function describing the relation between the field voltage and field current was deduced by node and branch reducing the signal flow diagram. This function was utilized in the regulator tuning.

The theory presented in this report lays a solid foundation for further modeling, controller design and system stability analysis. The initial method presented for tuning the field current controller could be evolved further to develop a standardized tuning principle for this system. However, it is evident that some aspect concerning modeling, stability and tuning regarding the field circuit needs to be examined further. The challenges expressed concerning the inner field circuit regulator should be priorities before further voltage control design is conducted.