Power Systems for Deep Sea Mining Applications, With Focus on Stability

Abstract

Grunnet den stadig økende etterspørselen etter mineraler og den reduserte malmkvaliteten i landbaserte gruver, har gruveindustrien nå begynt å se mot mulighetene som skjuler seg på bunnen av de store havdyp. Kartleggingen av havbunnen har til nå vært begrenset og det forventes at det finnes områder med betydelige forekomster av mineraler med høyt innhold av sjeldne metaller som gull, sølv, kobber og kobolt. Noen av de mest mineralrike stedene har blitt funnet i nærheten av vulkansk aktive og tektoniske soner. Prøver tatt fra disse lokasjonene har indikert eksepsjonelt høy malmkvalitet, der mange overstiger det som er funnet i majoriteten av landbaserte gruver. Langs Atlanterhavsryggen mellom Jan Mayen og Svalbard er det oppdaget store mineralforekomster relatert til såkalte hydro-termiske skorsteiner. Blant de oppdagede lokasjonene har Lokeslottet, på 2400 meter dyp, blitt anerkjent som en av de mest lovende stedene for framtidig mineralutvinning. Per nå er det få produksjonssystemer som er utviklet for undersjøisk gruvedrift. Det er derfor av stor interesse for utviklingen av fremtidige systemer at operasjonelle og designrelaterte problemer for denne typen systemer blir identifisert.

Denne oppgaven har, gjennom studier av eksisterende konsepter og forskning innen feltet undersjøisk gruvedrift, foreslått en modell for det elektriske kraftsystemet knyttet til et undersjøisk gruvesystem. Modellen er utviklet med den hensikt å kunne undersøke stabilitetsproblemer knyttet til et isolert kraftsystem basert på kraftomformerteknologi. Produksjonssystemet utviklet av selskapet Nautilus Minerals har dannet grunnlaget for modellen. Basert på tilgjengelig forskning 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 innenfor norsk jurisdiksjon. To separate modeller har blitt utviklet i MATLAB / SIMULINK, en modell i tidsdomenet og en linearisert modell for "small-signal" analyse. For å redusere kompleksiteten er systemet modellert som en "point-to-point" DC-link knyttet til en kraftinverterer som forsyner en stor induksjonsmaskin. De to modellene brukes til a utføre systematiske sanalyser for å få oversikt over hvordan tuningen av regulatorene påvirker systemets stabilitet og hvordan systemets stabilitetsgrenser påvirkes under forskjellige driftsforhold. Studien har vist at styrken til kraftforsyningen på forsyningsskipet har en sterk påvirkning på stabiliteten til systemet. Ved en kortslutningsytelsesrate på 2 har det blitt observert at overføringsevnen til systemet reduseres betydelig, 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 eyes of the mining industry has begun to look towards the great depths of the ocean. The deep sea is expected to hide sites with massive deposits rich in rare minerals such as gold, silver, copper and cobalt. Some of the richest locations have been found in proximity to highly active volcanic and tectonic zones. Samples taken from these locations have indicated exceptionally high ore grades, exceeding what is found in most terrestrial mines. Along Mohn’s ridge between Svalbard and Jan Mayen, numerous seafloor massive sulphur (SMS) deposits, related to active and extinct hydro-thermal vents, have been discovered. Among the discovered sites is Loki’s Castle, at a depth of 2400 meters, recognized as one of the most promising locations for the extraction of minerals. At this point, there are few production systems developed for deep sea mining (DSM) applications. Hence, it is of great interest for the development of future systems to 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 is developed with the intention of investigating the power system stability issues related to such an isolated system with converter-fed loads. A production system developed by the company Nautilus Minerals has formed the base of the study. Based on the literature research a DC distributed system with a centralized submersed power hub is proposed. The system is designed for a depth of 3500 meters, with the intention of operating in sites located in waters within Norwegian jurisdiction. A time-domain model and a linearized model for small signal analysis have been developed in the MATLAB/SIMULINK environment. The developed model configuration is 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 intention of investigating the impact of the converter controllers and to reveal the stability limits of the system under different operating conditions. The results have shown that the strength of the power system of the supply vessel is critical for the stability limits of the system. When the on-board system has a short circuit ratio of 2, the power transfer capability has been identified to deteriorate to an extent where the system is incapable of satisfying the power requirement of the sub-sea system. Low-frequency oscillations have been detected related to the instability events, indicating a system that is easily excited even at nominal conditions.