Control of power converters as Virtual Synchronous Machines for flexible system integration of single battery installation in a two-bus ship power system

Abstract

Prosjektet studerer kontroll av kraftelektronikkomformere for enkel batteriintegrasjon i AC-distribuerte fremdriftssystemer i skip ved hjelp av kontrollstrukturen kjent som "virtuell" synkronmaskin (VSM). Hovedformålet med en VSM er å etterligne oppførselen til en tradisjonell synkronmaskin (SM) i en kraftelektronikkomformer og dermed arve viktige elektromekaniske egenskaper som bidrar til nettstabilitet. Et VSM-basert energilagringssystem (ESS) er forventet å kunne forbedre nettstabilitet og øke energieffektiviteten i AC-distribuerte fremdriftssystemer i skip ved å gi en utslippsfri roterende reserve, muliggjøre sømløse overganger mellom nettfølgende og nettdannende drift av kraftelektronikkomformere.

For å kunne verifisere effekten av å installere en VSM-basert ESS med dobbelinnmating i et to-buss fremdriftssystem har prosjektet utviklet en simuleringsmodell i tidsdomene. Det finnes mange forskjellige implementasjoner av VSMer, men dette prosjektet har valgt en løsning basert på en kvasi stasjonær elektrisk modell (QSEM), som utelater de dynamiske egenskaper av den elektriske SM modellen. En kontrollstruktur basert på en QSEM vil redusere kompleksiteten til VSMen, men samtidig opprettholde viktige elektromekaniske egenskaper til SMen. Simuleringsresultater har vist at den umiddelbare energitilførselen som batterier representerer kombinert med en VSM-kontrollerte kraftelektronikkomformere har økt nettstabiliteten ved å tilføre et "virtuelt" treghetsmoment samt en hurtig frekvenskontroll. Videre viser simuleringsmodellen at en VSM-basert ESS reduserer tidligere begrensninger knyttet til batteriintegrasjon i AC-distribuerte kraftsystemer og muliggjør sømløse overganger mellom lastdeling, nettstøtte og øydrift av ESSen. En ESS med dobbelinnmating gir muligheten til å drifte systemet med en "virtuelt" lukket buss som tillater energitransportering mellom AC-bussene i driftssituasjoner som krever separerte busser. Et videre arbeid med et energistyringssystem (EMS) som utnytter fleksibiliteten til en dobbelinnmatet VSM-basert ESS kan potensielt redusere driftskostnader og klimagassutslipp i skip.

This project studies the control of power converters for simple battery integration in AC-distributed ship power systems utilizing the Virtual Synchronous Machine (VSM) control structure. The primary purpose of the VSM is to emulate the behaviors of a traditional Synchronous Machine (SM) in power converters and inherit important electromechanical properties contributing to grid stability. A VSM-based Energy Storage System (ESS) can potentially improve stability and efficiency in AC-distributed ship power systems by providing an emission-free spinning reserve and enabling seamless transitions between the grid-following and grid-forming operation of the power converter.

However, to assess this, the project has developed a time-domain simulation model of a two-bus ship power system used to verify the effects of adding a dual-infeed VSM-based ESS in a two-bus ship power system. The VSM-controlled converter uses a reduced-order VSM architecture based on the Quasi-Stationary Electrical Model (QSEM), omitting the dynamical properties of the electrical model to reduce complexity while maintaining essential properties. Simulation results have shown that the immediate energy supply of batteries combined with the VSM-controlled converter design has increased grid stability by adding "virtual" inertia and providing a fast primary frequency control. Furthermore, the simulation model shows that the VSM-based ESS reduces previous limitations related to battery integration in AC-distributed power systems and enables seamless transitions between load sharing, grid support, and islanded operation of the ESS. The dual-in-feed configuration using a common DC bus also provides "virtual" closed bus ties and allows power cycling between each AC bus during operations with open bus ties. Further work on an Energy Management System (EMS) utilizing the increased flexibility of a dual-infeed configured VSM-based ESS can potentially reduce operational costs and GHG emissions in ships by optimizing energy utilization.