Modeling and Analysis of Active Front-End Induction Motor Drive for Reactive Power Compensation

In this thesis, an active front end induction motor drive for reactive power compensation is analyzed. The classical vector control approach for high performance control of an induction motor drive is a well established industry standard today. The same idea of decoupled control is extended to the line-side PWM converter for achieving better dynamic performance. The system model is obtained using d-q rotating frame theory. The iqe component of line currents is used to control the reactive power. The idecomponent is used to control the dc-link voltage and also to supply active power required by the motor. A high gain feedback controller with input-output linearization is presented to remove coupling between iqe and ide currents. A load power feed-forward loop is added to the dc-link voltage controller for fast dynamic response. The drive performance is analyzed to define system specifications. The motor acceleration, deceleration, and variable power factor operation (reactive power compensation) of the active drive system are demonstrated. The motor load is varied from no load to full load in steps of 10% each. For each step the device currents, switching power loss, line harmonics, and dc-link ripples are plotted. This data is used to derive conclusions that define system specifications and also state operating limits. The control of the drive system is implemented in MATLAB-SIMULINK. The complete system hardware is implemented in commercially available simulation tool, PSIM. The two software packages are interlinked using an interface module

New techniques to improve power quality and evaluate stability in modern all-electric naval ship power systems

This dissertation focuses on two crucial issues in the design and analysis of the power electronic systems on modern all-electric naval ships, i.e., power quality control and stability evaluation. It includes three papers that deal with active power filter topology, active rectifier control, and impedance measurement techniques, respectively. To mitigate harmonic currents generated by high-power high-voltage shipboard loads such as propulsion motor drives, the first paper proposes a novel seven-level shunt active power filter topology, which utilizes tapped reactors for parallel operations of switching devices. The multi-level system has been implemented in both regular digital simulation and real-time digital simulator for validation. In the second paper, a harmonic compensation algorithm for three-phase active rectifiers is proposed. Based on the theory of multiple reference frames, it provides fast and accurate regulation of selected harmonic currents so that the rectifier draws balanced and sinusoidal currents from the source, even when the input voltages are unbalanced and contain harmonics. Extensive laboratory tests on a 2 kW prototype system verifies the effectiveness of the proposed control scheme. The last paper presents a new technique for impedance identification of dc and ac power electronic systems, which significantly simplifies the procedure for stability analysis. Recurrent neural networks are used to build dynamic models of the system based on a few signal injections, then the impedance information can be extracted using off-line training and identification algorithms. Both digital simulation and hardware tests were used to validate the technique --Abstract, page iv

Investigation of Control Concepts for High-Speed Induction Machine Drives and Grid Side Pulse-Width Modulation Voltage Source Converters

Control of a low voltage ac/dc/ac converter for high-speed induction machine drive applications has been investigated. Such a configuration can be applied, for example, in microturbines and high-speed spindles. Scalar control is usually applied for the control of high-speed drives especially in the case of very high-speed drives. Indirect rotor-flux-oriented control and direct torque control are designed and compared for the control of an exemplary high-speed induction machine drive. The 2L VSC is the most widely applied converter for high-speed drives. However, the 3L-NPC VSC is an attractive topology if drastically increased switching frequencies are required. A detailed comparison between a 2L VSC and a 3L-NPC VSC as the machine side converter of the exemplary high-speed induction machine drive is carried out. Voltage-oriented control is applied for the control of the grid side PWM active front end converter. In several industrial applications PWM active front end converters commonly operate in parallel to thyristor converter fed dc drives. Behavior of the voltage-oriented controlled active front end converter with L-filter in the presence of a parallel thyristor converter is investigated. The design of the LCL-filter components according to the given maximum grid current harmonics (e.g. IEEE-519) is a complex task. So far a precise and clear design procedure has not been presented. A new procedure to design the grid side filter (L- and LCL-filter) is proposed using the analytical expression of the converter voltage harmonics based on Bessel functions to achieve the compliance with the grid standard of IEEE-519. Voltage-oriented control with active damping is used to control the active front end converter with LCL-filter. A simple method is proposed to design the required lead-lag compensator in the active damping loop

Resonance mode power supplies with power factor correction

There is an increasing need for AC-DC converters to draw a pure sinusoidal current at near unity power factor from the AC mains. Most conventional power factor correcting systems employ PWM techniques to overcome the poor power factor being presented to the mains. However, the need for smaller and lighter power processing equipment has motivated the use of higher internal conversion frequencies in the past. In this context, resonant converters are becoming a viable alternative to the conventional PWM controlled power supplies. The thesis presents the implementation of active power factor correction in power supplies, using resonance mode techniques. It reviews the PWM power factor correction circuit topologies previously used. The possibility of converting these PWM topologies to resonant mode versions is discussed with a critical assessment as to the suitability of the semiconductor switching devices available today for deployment in these resonant mode supplies. The thesis also provides an overview of the methods used to model active semiconductor devices. The computer modelling is done using the PSpice microcomputer simulation program. The modifications that are needed to the built in MOSFET model in PSpice, when modeling high frequency circuits is discussed. A new two transistor model which replicates the action of a OTO thyristor is also presented. The new model enables the designer to estimate the device parameters with ease by adopting a short calculation and graphical design procedure, based on the manufacturer's data sheets. The need for a converter with a high efficiency, larger power/weight ratio, high input power factor with reduced line current distortion and reduced cost has led to the development of a new resonant mode converter topology, for power processing. The converter presents a near resistive load to the mains thus ensuring a high input power factor, while providing a stabilised de voltage at the output with a small lOOHz ripple. The supply is therefore ideal for preregulation applications. A description of the modes of operation and the analysis of the power circuit are included in the thesis. The possibility of using the converter for low output voltage applications is also discussed. The design of a 300W, 80kHz prototype model of this circuit is presented in the thesis. The design of the isolation transformer and other magnetic components are described in detail. The selection of circuit components and the design and implementation of the variable frequency control loop are also discussed. An evaluation of the experimental and computer simulated results obtained from the prototype model are included in the presentation. The thesis further presents a zero-current switching quasi-resonant flyback circuit topology with power factor correction. The reasons for using this topology for off-line power conversion applications are discussed. The use of a cascoded combination of a bipolar power transistor and two power MOSFETs i~ the configuration has enabled the circuit to process moderate levels of power while simultaneously switching at high frequencies. This fulfils the fundamental precondition for miniaturisation. It also provides a well regulated DC output voltage with a very small ripple while maintaining a high input power factor. The circuit is therefore ideal for use in mobile applications. A preliminary design of the above circuit, its analysis using PSpice, the design of the control circuit, current limiting and overcurrent protection circuitry and the implementation of closed-loop control are all included in the thesis. The experimental results obtained from a bread board model is also presented with an evaluation of the circuit performance. The power factor correction circuit is finally installed in this supply and the overall converter performance is assessed

Advances in wind power generation, transmission, and simulation technology

Wind is an increasingly important piece of electricity generation portfolios worldwide. This dissertation describes advances related to the electromechanical energy conversion system of wind turbines, and the electric transmission system for offshore wind power plants. The contributions of this work are the following: (i) We propose that the power electronics topology commonly called the Vienna rectifier can be used for improved variable-speed wind energy conversion. Theoretical analysis is conducted to show how a Vienna rectifier could drive either a squirrel-cage induction generator or a permanent-magnet synchronous generator-based wind turbine. Computer simulations and experimental results demonstrate the feasibility of the proposed topology and potential improvements in energy conversion efficiency. (ii) We propose a novel low-frequency ac (LFAC) transmission system for offshore wind power plants. A system design and control method is set forth, and key system operational characteristics are illustrated via computer simulations. The LFAC system constitutes a promising option for medium- or long-distance transmission, and could be an alternative to high-voltage dc (HVDC) transmission. (iii) We develop a technique that utilizes a field programmable gate array (FPGA) as a dynamic simulation platform for wind turbines. A doubly fed induction generator-based wind turbine simulation is implemented on an FPGA board, in order to verify the effectiveness and performance advantage of this approach

Convertisseurs modulaires multiniveaux pour le transport d'énergie électrique en courant continu haute tension

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. Elle permet de réaliser un calcul rapide et direct du rendement du système. Une étude de cas est réalisée en considérant la connexion HVDC d’une plateforme éolienne off-shore. La puissance nominale du système étudié est de 100 MW avec une tension de bus continu égale à 160 kV. Les différentes topologies MMC sont évaluées en utilisant des IGBT ou des IGCT en boitier pressé. Les simulations réalisées valident l’approche analytique faite précédemment et permettent également d’analyser les modes de défaillance. L’étude est menée dans le cas d’une commande MLI classique avec entrelacement des porteuses. Enfin, un prototype triphasé de 10kW est mis en place afin de valider les résultats obtenus par simulation. Le système expérimental comporte 18 cellules de commutations et utilise une plate-forme DSP-FPGA pour l’implantation des algorithmes de commande. ABSTRACT : This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform

Multilevel Converters: An Enabling Technology for High-Power Applications

| Multilevel converters are considered today as the state-of-the-art power-conversion systems for high-power and power-quality demanding applications. This paper presents a tutorial on this technology, covering the operating principle and the different power circuit topologies, modulation methods, technical issues and industry applications. Special attention is given to established technology already found in industry with more in-depth and self-contained information, while recent advances and state-of-the-art contributions are addressed with useful references. This paper serves as an introduction to the subject for the not-familiarized reader, as well as an update or reference for academics and practicing engineers working in the field of industrial and power electronics.Ministerio de Ciencia y Tecnología DPI2001-3089Ministerio de Eduación y Ciencia d TEC2006-0386

Design of a power transformer and HVDC transmission system

Nella rete elettrica i trasformatori hanno una notevole importanza, poiché con tale macchina è possibile variare principalmente i valori della tensione e della corrente. Questo permette di trasmettere l’energia dal punto di generazione fino all’utenza finale riducendo il più possibile le perdite, tenendo conto anche dell’aspetto economico in quanto non conviene avere un sistema con pochissime perdite se per realizzarlo sono necessarie molte risorse di denaro. I trasformatori di potenza vengono progettati su commessa; questo significa che la macchina è pensata e costruita rispetto a delle specifiche caratteristiche richieste dal Cliente stesso. Durante la progettazione di una macchina elettrica non bisogna considerare solamente gli aspetti ingegneristici che mirano a costruire una macchina che si avvicini il più possibile ad una ideale, ma si deve tenere ben presente l’aspetto economico. In relazione a questi due aspetti il progettista deve essere in grado di progettare un trasformatore che rappresenti la soluzione tecnico - economica migliore. I parametri principali che il Cliente solitamente richiede sono la potenza nominale della macchina, la tensione nominale, il numero delle fasi, il tipo di connessione e il gruppo delle fasi, la frequenza nominale alla quale la macchina andrà ad operare, il tipo e il numero dei passi di regolazione del regolatore di tensione, l’impedenza percentuale e il limite delle perdite. Il Cliente deve inoltre fornire ai progettisti alcune informazioni riguardanti il sito in cui il trasformatore andrà ad operare come ad esempio l’altitudine, la temperatura ambiente media nel periodo estivo e quella nel periodo invernale, ecc. Un'altra informazione molto importante che i progettisti richiedono al Cliente riguarda gli standard di riferimento secondo i quali la macchina deve essere progettata e inoltre se esistono delle limitazioni dimensionali relative al trasporto del trasformatore e al suo posizionamento in sito. Il punto di partenza per la progettazione di un trasformatore di potenza, in seguito alle caratteristiche che la macchina deve presentare una volta realizzata, è la determinazione della sezione del nucleo. Questo può essere fatto in relazione alla taglia della macchina, cioè alla sua potenza nominale. Già in questo primo step si deve tenere presente la relazione tra le perdite nel ferro e le perdite nel rame, così si può scegliere una sezione un po’ più grande o più piccola in modo che vada a favorire una o l’altra situazione. Per quanto riguarda le altezze delle colonne vengono determinate in seguito, in relazione all’altezza degli avvolgimenti e al livello di isolamento necessario. Successivamente deve essere determinato il livello d’induzione e qui si deve tener conto che un suo valore elevato va a ridurre il peso del rame e le sue perdite e inoltre riduce il peso del nucleo. A questo punto non si deve comunque dimenticare che una elevata induzione ha lo svantaggio che aumentano le perdite nel ferro. In seguito si va a determinare in maniera molto semplice la tensione per spira, il numero di spire dell’avvolgimento e la corrente di fase. Per quanto riguarda il numero di spire dell’avvolgimento che presenta la regolazione si devono calcolare anche il numero di spire massime, minime e intermedie relative ai vari gradini della regolazione della tensione. Solitamente il commutatore sotto carico viene inserito sul lato “alta tensione” della macchina perché con questo tipo di inserzione è più facile effettuare la commutazione. La commutazione risulta più semplice da effettuare in quanto la corrente nell’avvolgimento “alta tensione” è minore rispetto a quella del lato “bassa tensione”, quindi l’arco elettrico che si crea durante la commutazione è più semplice da estinguere. Ora devono essere determinati gli avvolgimenti e questo rappresenta uno dei passi più importanti durante la progettazione del trasformatore, poiché in relazione alla loro geometria dipendono molti fattori quali ad esempio i flussi dispersi della macchina, la caduta di tensione reattiva percentuale, ecc. Scegliere l’altezza dell’avvolgimento, cioè se questo deve essere più alto oppure più schiacciato, non è una cosa semplice. Infatti questo tipo di scelta dipende dalla densità di corrente che si sceglie per i conduttori, dal livello di tensione del lato “alta tensione”, dal volt-spira che è stato determinato, ecc. Gli aspetti ambientali del sito in cui andrà ad operare il trasformatore, le sovratemperature ammesse e il sistema di raffreddamento che si andrà ad adottare per la macchina, giocano un ruolo fondamentale nella scelta della densità di corrente. Infatti questo parametro è strettamente legato alle perdite che poi dovranno essere dissipate per far si che la macchina non vada ad operare in condizioni di sovratemperature non ammissibili. Gli avvolgimenti possono essere ad elica oppure a disco e questo rappresenta la principale suddivisione sul tipo di avvolgimenti dei trasformatori. In queste due differenti categorie poi troviamo molte diverse soluzioni che vengono adottate in relazione a certe caratteristiche della macchina. Tra i principali fattori che influenzano l’utilizzo di un tipo di avvolgimento rispetto ad un altro sono il livello di tensione dell’avvolgimento, il livello di flusso disperso che si vuole avere, le perdite e il tipo di raffreddamento. Determinato il tipo di avvolgimento, il quale normalmente non è lo stesso per l’avvolgimento di bassa tensione, per quello di alta tensione e nemmeno per quello di regolazione, si passa a determinare il tipo di conduttore che deve essere utilizzato. Per questo tipo di scelta un ruolo fondamentale è sicuramente rappresentato dal limite delle perdite nel rame che si possono avere e dalla sovratemperatura alla quale il conduttore andrà ad operare. A questo punto si può stabilire l’ingombro geometrico degli avvolgimenti ed in seguito si possono determinare le dimensioni della finestra del nucleo. A questo punto si possono determinare il peso del nucleo e degli avvolgimenti e poi proseguire con la determinazione delle dimensioni della cassa. Il passo successivo è rappresentato dal calcolo delle perdite da dissipare in modo tale che la macchina operi in condizioni garantite al Cliente senza eccedere nei livelli imposti dalle norme. Questo tipo di calcolo è fondamentale poiché va a determinare il tipo di raffreddamento che deve essere realizzato sul trasformatore. Un ultimo passo nel processo è quello della scelta dei vari accessori e componenti presenti sulla macchina. Viene effettuato anche il calcolo del peso del trasformatore completamente montato e anche smontato e pronto per il trasporto per verificare che non si siano superati i limiti imposti. La progettazione di un trasformatore di potenza è sicuramente molto complicata in quanto bisogna tenere in considerazioni un numero notevole di parametri. Inoltre tale processo non è lineare ma deve essere fatto in maniera “iterativa”, cioè ad ogni passo bisogna tornare a quello precedente e verificare che non si siano modificati alcuni parametri che non rispettino più le richieste del Cliente e gli standard delle normative. Per un progettista è sicuramente molto importante avere molta esperienza in tale settore poiché questo lo aiuta nelle varie scelte tecnico – economiche che devono essere fatte per riuscire ad ottenere la soluzione migliore, la quale deve soddisfare le esigenze e richieste del Cliente, e inoltre il profitto dell’azienda per cui lavora. Per quanto riguarda la trasmissione di energia elettrica in questi ultimi anni ha preso sempre più importanza il sistema di trasmissione di energia in alta tensione a corrente continua. Analizzando la situazione a livello globale, al giorno d’oggi assistiamo all’urbanizzazione, cioè grandi masse di popolazione si stanno spostando verso le città per creare delle “mega città”. Gli esperti dicono che nei prossimi 20 anni la richiesta di energia elettrica aumenterà del 70% rispetto al valore attuale. Per riuscire a soddisfare questa richiesta è necessario lo sviluppo di nuove tecnologie e trovare delle soluzioni di trasmissione che permettano di ridurre il più possibile le perdite. Ciò significa che sarà necessario produrre energia anche in luoghi molto distanti rispetto al consumatore finale, ma il trasporto di tale energia deve essere fatto con dei valori di perdite che siano le più contenute possibile. Una soluzione che soddisfa queste richieste e che ha sempre una maggiore importanza è la trasmissione in alta tensione in corrente continua. Un sistema HVDC (High Voltage Direct Current) può presentare tre diverse strutture. La prima struttura è rappresentata dalla HVDC long distance line che serve per la trasmissione di energia elettrica per lunghe distanze. La seconda struttura è rappresentata dalla HVDC cable line che viene principalmente utilizzata via mare. Queste due strutture sono caratterizzate da una stazione di conversione AC/DC all’inizio della linea, poi dalla linea elettrica e infine da un’altra stazione di conversione ma questa volta DC/AC. La terza struttura invece è la stazione HVDC back - to - back, che rappresenta l’unica soluzione per interconnettere sistemi che operano a frequenze diverse. Questa struttura è caratterizzata dal fatto che la conversione AC/DC e DC/AC sono fatte nella stessa stazione e la distanza tra le loro valvole è la più piccola possibile. I trasformatori HVDC vengono così chiamato solamente per indicare in maniera specifica in quale sistema vengono utilizzati, ma nella pratica sono dei trasformatori che funzionano in corrente alternata. Un trasformatore HVDC è quindi un trasformatore “tradizionale” per il quale però devono essere fatte alcune considerazioni che dipendono dal particolare sistema nel quale viene utilizzato. Solitamente queste macchine elettriche sono costituite da unità monofasi che poi vengono opportunamente connesse tra di loro per andare a formare un sistema trifase. Non vengono progettate delle macchine trifase di grandi potenza poiché queste andrebbero ad avere delle dimensioni enormi e sarebbe quindi molto difficoltoso il trasporto (se non impossibile); inoltre anche dal punto di vista ingegneristico e di costruzione non sarebbe conveniente. Il nucleo dei trasformatori HVDC è formato solitamente da due colonne principali e due colonne di ritorno. Per quanto riguarda gli avvolgimenti bisogna considerare molti parametri i quali sono principalmente legati al livello di isolamento in quanto queste macchine vanno a lavorare con tensioni molto elevate, quindi le distanze tra parti attive per garantire l’isolamento sono maggiori rispetto a trasformatori di potenza che generalmente operano con tensioni minori. I trasformatori HVDC hanno due avvolgimenti secondari che vanno collegati ai convertitori per la conversione ed essi sono montati uso su una colonna principale e uno sull’altra. Bisogna tenere presente che uno di questi due avvolgimenti viene collegato a stella mentre l’altro viene collegato a triangolo. Questo particolare collegamento va a favorire la tensione in uscita dal convertitore che così risulta essere prossima ad un valore ideale. Per quanto riguarda invece l’avvolgimento primario, esso è “diviso” in due parti uguali, ognuna delle quali è montata su una colonna principale. Un’altra particolarità che presenta questo tipo di macchina riguarda la cassa che non è di tipo convenzionale. Questo dipende dal particolare posizionamento degli isolatori sul lato dove ci si collega poi ai convertitori da una parte, mentre il sistema di raffreddamento è posto sul lato opposto per facilitare lo scambio di calore. In conclusione quando si deve costruire una nuova linea di trasmissione si deve valutare se conviene realizzarla in corrente alternata oppure in corrente continua. Per quanto riguarda i sistemi in corrente continua presentano sicuramente degli investimenti economici iniziali maggiori. Si è visto che se la linea di trasmissione è molto lunga (al di sopra di circa 700 km) è conveniente utilizzare il sistema in corrente continu

Grounding and Charging Strategy for Ships during Cold Ironing Operation

In order to minimize the pollution that ships generate at ports, ships can be connected to the utility grid during charging, also known as shore-to-ship connection or cold ironing operation. The pollution can also be remarkably reduced if the ships are full-electric or hybrid. With the utilization of a common DC bus, several ships can be charged simultaneously. However, due to the common DC bus, the ships are not galvanic isolated from each other such that leakage current can occur among the ships and the quay when the current leaks to the ground during a fault. Hence, this paper proposes a complete charging and grounding strategy, which will provide galvanic isolation between the ships and the quay. The charging and grounding strategy are verified through simulations in the Matlab/Simulink environment. An isolated and ideal PSFB DC-DC converter with a rated power of 400 kW was proposed to obtain galvanic isolation. The proposed converter obtained a stable output during nominal and half load from the simulation results. In addition, two grounding systems on the shore-side and the ship-side were proposed. On the shore-side, a double grounding TN-C grounding system with a NGR resistor was designed such that the leakage current can easily be detected when a ground fault occurs. On the ship-side, an IT system with HRMG resistors was designed to reduce the leakage current such that the risk of corrosion was reduced and provided safety for personnel. As a result, a fault on the shore-side did not affect the ship-side grounding system and opposite. Faults that can appear on the charging system were found through research and simulated with the complete charging and grounding system to verify that the grounding system was optimally designed. The results during a fault on the system showed that the shore-side grounding system was not optimally designed because the NGR did not reduce the fault current to a lower value than 25 A. The common DC bus was created from an uncontrolled rectifier that suffered a substantial power dissipation. As a result, the output of the PSFB DC-DC converter was unstable. Therefore, a resistor was added to the TN-C grounding configuration during simulations of the charging system to achieve a stable output of the DC-DC converter. The IT grounding configuration on the ship-side reduced the fault current to 6 mA during a LG fault, and personnel safety was kept at a safe level when a person touched one of the DC lines. However, it was shown that the personnel safety was not obtained when a person touched the energized chassis due to a dangerous voltage potential