Design and Control of a Local Offshore Network for a Multi-Use Offshore Platform

Abstract

Offshore flerbruksplattformer (MPPer) er en del av den bærekraftige og fornybare energistrategien til EU, gjennom prosjektene "The Ocean of Tomorrow" og "Horizon 2020". Konseptet omfatter maritim industri innen transport, energi, akvakulturer og fritid (TEAL), og er satt til å tilby et bredt spekter av tjenester. Til tross for at prosjektene har pågått i over ett tiår, er det utført svært lite forskning innenfor de elkrafttekniske sidene ved MPPer. Formålet med denne oppgaven er derfor å designe et lokalt offshore nettverk (LON) for en MPP dedikert til fiskeoppdrett, drevet av et fullstendig fornybart energisystem og vurdere dets gjennomførbarhet gjennom en dynamisk systemanalyse.

Motivasjonen bak dette valget er å understreke hvordan de enorme havvindressursene kan brukes til å produsere fisk og møte den stadig voksende etterspørselen etter sjømat internasjonalt. I tillegg vil oppgaven forsøke å peke på hvordan overflødig energi kan brukes til å drive støttesystemer på oppdrettsanlegg for å bedre livskvaliteten til fisken, eller øke stabiliteten i det lokale strømnettet på MPPen. I den første delen av oppgaven presenteres en oversikt over konvensjonelle oppdrettsanlegg til havs og tilgjengelige vindressurser. Sammen med en presentasjon av grunnleggende teori og nødvendige systemkomponenter skaper dette grunnlaget og verktøyene for å utvikle en systemmodell i MATLAB/ Simulink. LON består av en Permanent Magnet Synkrongenerator (PMSG) vindturbin, en induktiv hovedlast av typen induksjonsmotor med variabel hastighet (IMs), en induktiv variabel sekundærlast av type direkte koblet IM og et li-ion batteri. Alle komponenter er koblet til det lokale strømnettet på 400V AC gjennom ulike typer av omformere.

Den foreslåtte lokale offshore-nettverksmodellen er validert, og modellen utviklet for systemet er funnet å fungere tilstrekkelig. Videre har systemdynamikken blitt testet gjennom simulasjoner som representerer noen av de mest alvorlige og hyppige situasjonene som systemet må tåle på en daglig basis. Resultatene viser at systemet er teknisk gjennomførbart, under de forutsetninger og forenklinger som er gjort i denne oppgaven.

Start og stopp av hovedlasten påførte systemet liten belastning, selv ved lave vindhastigheter. Batteriet holdt spenningen og frekvensen stabil og stort sett innenfor nettkodegrensene, samt regulerte driften for å dempe transienter. Systemet er imidlertid sårbart for direkte tilkoblede IM-er på grunn av det høye reaktive effektbehovet ved oppstart. Store og brå endringer i den reaktive effektbelastningen forårsaker en permanent spenningskollaps. En shuntkondensator eller en hydrogenbasert brenselcelle er diskutert som systemtillegg som kan styrke stabiliteten. Brenselcellen er det foretrukne valget, til tross for den øker system- og kontrollkompleksiteten, siden den gir fordeler for hele systemet når det gjelder stabilitet, redundans og sikkerhet.

Samlet sett fungerer kontrollen av VSC-ene tilfredsstillende og viser et stort potensial når det gjelder dynamisk stabilitet, og funnene fra denne oppgaven indikerer at et lokalt strømnett for en MPP utelukkende basert på fornybar energi er mulig.

Multi-purpose offshore platforms (MPPs) are a part of the sustainable and renewable energy strategy to The European Union, active through the projects "The Ocean of Tomorrow" and "Horizon 2020". The concept includes offshore industries within transportation, energy, aquaculture and leisure (TEAL), and is proposed to have offer a broad set of services. Despite that the projects has been going on for over ten years, very lite research has been performed regarding the electrical aspects of the MPP. Therefore, this thesis is set to design a local offshore network (LON) for a MPP dedicated to fish farming activities of aqua-culturing, powered by a totally renewable energy system, and assessing its feasibility through the dynamic system performance when exposed to contingencies.

The motivation behind this choice is to emphasis how the huge offshore wind resources can be used to produce seafood and meet the increasingly high demand of seafood on a global scale. In addition, the thesis will attempt to address how excessive energy can be used to power auxiliary equipment on the farm to enhance the life quality of the fish or support the LON on the MPP. In the first phase of the thesis an overview of conventional offshore fish farms and available wind resources are presented. Together with a presentation of the fundamental theory of necessary system components, this creates a the required basis and tools to develop a suitable system model in MATLAB/Simulink. The LON comprises of a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) wind turbine, a main fixed inductive load of variable-speed Induction Motors (IMs), a dump load of a variable inductive load and a directly connected IM and a Lithium-ion battery. All components are connected to the 400V AC LON using different types of converters.

The proposed local offshore network model has been validated, and the controller developed for the system is found to perform sufficiently. Following the validation, the system dynamics are investigated under a set of cases representing the some of the most severe and frequent situations that the system has to withstand on a daily basis. The results shows that the system is technical feasible, under the assumptions and simplifications made in this thesis.

Start and stop of the main load applied little stress on the system, even at low wind speeds. The battery kept the voltage and frequency stable and mostly within the grid code limits and regulated the operation to damp transients. However, the system is vulnerable to directly connected IMs, due to the high initial reactive power requirement. Large abrupt changes in the reactive power load causes a permanent voltage collapse. The discussed solution to add system stability is a shunt capacitor and hydrogen based fuel cell. The fuel cell would be preferable, despite the increasing system and control complexity, as it brings benefits to the whole system in terms of stability, redundancy and security.

Overall, the control of the VSCs operates satisfactory and shows great potential in terms of dynamic stability, and the finding from this thesis indicates that a LON for a MPP solely based on renewable energy is possible.