dc.contributor.advisor | Tedeschi, Elisabetta | |
dc.contributor.author | Gjevre, Jostein | |
dc.date.accessioned | 2019-10-31T15:19:55Z | |
dc.date.available | 2019-10-31T15:19:55Z | |
dc.date.issued | 2019 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/2625899 | |
dc.description.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. | |
dc.description.abstract | 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. | |
dc.language | eng | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | Power Systems for Deep Sea Mining Applications, With Focus on Stability | |
dc.type | Master thesis | |