Sistemi di Distribuzione Zonale dell'Energia Elettrica in Media Tensione Continua per Applicazioni Marine

The maritime industry, as the whole transportation sector, is facing an extensive electrification process. In this context, the All-Electric Ship concept and the deployment of Integrated Power and Energy Systems are becoming a reality. These technologies can guarantee a high degree of flexibility and enhance the ship’s efficiency, paving the way for innovative solutions and power system’s architectures. Among these solutions, the Medium Voltage Direct Current (MVDC) is certainly one of the most promising, both in terms of reducing the overall weight and volume of the ship’s power system and of integrating energy sources and storages. If then the power distribution survivability and flexibility are to be privileged, the power system can be further improved choosing the zonal topology. This is indeed the subject of this thesis, whose goal is to define methods and tools to study such complex power systems. Building upon the studies on the MVDC radial topology, the thesis investigates modeling and simulation methodologies that can be exploited for the studies on zonal power systems. Throughout the thesis, issues such as the voltage stability and voltage and power control of complex multi-converter power systems are examined, both for radial and zonal MVDC power distributions. The thesis leaves a lot of room for the analytical findings and the numerical simulation, while the final part is dedicated to the experimental results. The thesis has been developed in the Digital Energy Transformation and Electrification Facility (D-ETEF), at the University of Trieste, and in the MIT Sea Grant Design Lab, at the Massachusetts Institute of Technology. In both labs the main focus has been on innovative zonal power systems for naval applications, but during the PhD the studies have regarded also civil and terrestrial applications (e.g. yacht marinas, terrestrial microgrids). The thesis starts describing the modeling activities performed, these models are used later to verify the analytical findings. The design activity on converters filters and energy storage integration is then addressed. The central part of thesis is dedicated to the solutions for coordinating the converters in power electronics dense MVDC power systems and to the DC voltage stability issue. At first, the most common ways to study and solve the power system instability are discussed, then a reduced order methodology is presented. The conclusion is dedicated to the Controller Hardware in the Loop implementations and to the experimental results, that verify the modeling activity and the numerical results.

L’industria marittima, al pari dell’intero settore dei trasporti, sta affrontando un profondo processo di elettrificazione. In questo contesto, il concetto di All-Electric Ship e l’uso di Integrated Power and Energy Systems stanno diventando una realtà. Queste tecnologie possono garantire un elevato grado di flessibilità e migliorare l’efficienza complessiva della nave, aprendo la strada a soluzioni e architetture innovative per il sistema elettrico di bordo. Tra queste soluzioni la media tensione continua (MVDC) è sicuramente tra le più promettenti, sia per quanto riguarda la riduzione complessiva di peso e volume del sistema elettrico della nave, sia in termini di integrazione di sorgenti e accumuli di energia. Volendo privilegiare la flessibilità e la capacità di sopravvivenza della nave, il sistema elettrico può essere ulteriormente migliorato scegliendo la topologia zonale. La tesi ha dunque come soggetto principale proprio la topologia zonale e definisce metodi e strumenti per lo studio di questi sistemi elettrici complessi. Partendo dagli studi sulle reti radiali MVDC, la tesi approfondisce metodi che possono essere sfruttati per modellizzare e simulare le distribuzioni zonali. Nel corso della tesi vengono esaminate problematiche legate alla stabilità della tensione e al controllo di tensione e potenza di reti complesse caratterizzate dalla presenza di molteplici convertitori, sia per ciò che riguarda reti MVDC radiali che zonali. Nella tesi è dedicato molto spazio ai risultati analitici e simulazioni numeriche, mentre la parte finale è riservata ai risultati sperimentali. La tesi è stata sviluppata presso il laboratorio Digital Energy Transformation and Electrification Facility (D-ETEF), Università degli Studi di Trieste, e presso l’MIT Sea Grant Design Lab, Massachusetts Institute of Technology. In entrambi i laboratori, la ricerca è stata concentrata principalmente su sistemi elettrici innovativi zonali con applicazione alle navi militari; tuttavia, durante il dottorato alcuni studi hanno riguardato anche applicazioni navali civili e legate a reti terrestri (e.g. porti turistici, microgrid terrestri). La tesi parte con la descrizione delle attività legate alla modellizzazione, questi modelli sono usati in seguito per verificare i risultati analitici. Viene poi affrontato il progetto degli stadi di filtraggio dei convertitori e il problema dell’integrazione degli accumuli. La parte centrale della tesi è dedicata alle soluzioni per il coordinamento dei convertitori in sistemi elettrici MVDC caratterizzati dalla presenza di molteplici convertitori e al problema della stabilità della tensione nelle distribuzioni in continua. Inizialmente vengono discussi i metodi più comuni per studiare e risolvere l’instabilità della tensione, successivamente viene presentata una metodologia che si avvale di un modello di ordine ridotto. La parte conclusiva è dedicata alle implementazioni Controller Hardware in the Loop ed ai risultati sperimentali, che validano l’attività di modellistica e i risultati numerici.