High voltage shore connections. Application in piers and power supply ships

Abstract

The objective of this project is to study the behavior of a High Voltage Shore Connection, a useful system to carry electrical power from shore to ship and backwards, while it is berthed at piers. This will be done by designing a system for a port, able to be connecting four ships at the same time to a shore power source. With this design, simulations will be performed. The results in regular operation conditions and in special situations will be analyzed, and they will be compared with the quality requirements stablished by international standards for these installations.The High-Voltage Shore Connections (HVSC) are an efficient way to reduce air pollution in ports and its surroundings, as it allows ships to connect themselves to a shore source of energy and shut down their engines, thus cutting their contaminant emissions. To be able to carry out this connection between the shore electrical grid and the ship, it must be taken into account that, generally, both systems work with different voltages and frequencies. Therefore, the HVSC must be in charge of not only transmitting energy from piers to ship and vice versa, but also doing the suitable conversions so that the two networks may connect each other properly. In this project, it is designed and analyzed a possible solution of the circuit in charge of making these energy transformations. After completing the design of the system, simulations under different load situations and possible failures are run. With four ships using in parallel the HVSC, it may be seen, besides the regular behavior of the circuit, the repercussions and effects in the whole system when a short circuit takes place in one of the connecting electric feeders between one of the ships and the converter system. Similarly, also the effects of one step in the energy required by a ship (an increase or decrease of 1 MVA, regarding the 5-10 MVA that it regularly needs) in the rest of the circuit can be observed. Both the design of the circuit and the conditions of the simulations are performed with Matlab Simulink, and the results are compared with stablished requirements by international regulation associations. In this case, Classification Societies, who are normally the main references when introducing normative and requirements in the maritime ambit, stablish few regulations about it. Instead, the International Standard ISO/IEC/IEEE 80005-1 covers with detail all the subject about harbor connections, on the ship side as well as on the shore side. That is why this Standard is the one that will be taken into account to observe the system operation limits. The results show that in case of short circuit in one electric feeder, the voltage goes down to zero, while the current goes up to very high values, as it was expected; this causes transient changes in the voltages and currents of other feeders, which includes peaks in the electric feeder going directly to a ship. Meanwhile, in the cases of increase and decrease of the loads it is observed that when the load of one ship is increased, the voltage in its feeder decreases and the current grows, and the opposite happens when the load is decreased. With the load variation simulated, the effects of these load changes are barely noticeable in other ships, except for the ship supplied directly from the source, where a little variation appears in voltage. Therefore, it can be concluded that even most of studied cases don’t cause severe alterations, there are some exceptions. On one hand, a short circuit in the source electric feeder affects importantly to the rest of the feeders. And on the other hand, it must be taken into account that the load change in one feeder will affect to the voltage supplied, being deviated from the nominal voltage stablished by the rule. Las conexiones de puerto de alta tensión (HVSC) son una forma eficiente de reducir la contaminación ambiental en los puertos y sus alrededores, ya que permite a los buques conectarse a una fuente de energía en el muelle y apagar los motores, reduciendo así sus emisiones contaminantes. Para poder llevar a cabo esta conexión entre la red eléctrica en tierra y la propia del barco, debe tenerse en cuenta que, por norma general, ambos sistemas trabajan a tensiones y frecuencias diferentes. Por lo tanto, las HVSC deben encargarse no solo de transmitir la energía desde el puerto al buque y viceversa, sino también de efectuar las conversiones necesarias para que las dos redes puedan estar conectadas sin sufrir problemas. En este proyecto se diseña y estudia precisamente una possible solución del circuito que ha de llevar a cabo esas transformaciones de energía, adaptando la tensión generada por la fuente a una que sea adecuada para la red del buque usando la conexión. Tras completar el diseño del sistema, este se pone a prueba, simulando distintas situaciones de carga y posibles fallos. Con cuatro buques usando en paralelo la HVSC se ven, además del comportamiento normal del circuito, las repercusiones que tendría un cortocircuito en las líneas de conexión entre uno de los buques y el sistema de la conversión en la energía que llega a los demás buques. De igual forma, también se observan los efectos de un escalón en la energía requerida por un buque (un incremento o disminución de 1 MVA, respecto a los 5-10 MVA que puede necesitar normalmente) en el resto del circuito. Tanto el diseño del circuito como las simulaciones de las condiciones se llevan a cabo con el programa Matlab Simulink, y los resultados son comparados con los requisitos establecidos por las asociaciones internacionales de regulación. En este caso las Sociedades de Clasificación, normalmente las mayores referencias a la hora de introducir normativas y requisitos en el ámbito marítimo, establecen muy pocas regulaciones al respecto. En cambio, el Standard Internacional ISO/IEC/IEEE 80005-1 cubre detalladamente todo el tema de conexiones en puertos, tanto en el lado del buque como en el de tierra, por lo que se atenderá a este para observar los límites de operación del sistema. Los resultados muestran que en el caso del cortocircuito en una línea, la tensión baja hasta cero mientras la corriente sube a valores muy altos, como era predecible; esto provoca alteraciones transitorias en las tensiones y corrientes de las otras líneas, incluyendo picos en la línea que alimenta directamente a un buque. Mientras tanto, para los casos de aumento y disminución de carga se observa que cuando se aumenta la carga de un buque, la tensión en esa línea baja mientras la corriente sube, y al revés cuando se disminuye la carga. Con la variación de carga probada, los efectos de estos cambios de carga son apenas perceptibles en los otros buques, a excepción del buque alimentado directamente de la fuente, donde aparece una pequeña variación en la tensión. Por lo tanto, se puede concluir que aunque la mayoría de casos estudiados no provocan alteraciones muy graves, hay ciertas excepciones. Por un lado, el cortocircuito en la línea de la fuente, que afecta de forma muy importante a todas las demás líneas. Y por el otro, debe tenerse en cuenta que el cambio de carga en una línea afectará a la tensión que va a recibir, lo que la hará desviarse de la tensión nominal establecida por la norma