An Ultracapacitive Energy Storage System for a Future Integrated Power System Warship

Abstract

Land transportation vehicles are currently shifting to hybrid or battery power systems in order to reduce fuel consumption and optimize efficiency. The emerging technology of ultracapacitors is playing a key role in such vehicles by offering energy storage and surge capability. Those same technologies can be applied to the changing naval environment of Integrated Power System (IPS) ships.

Both civilian and military vessels are moving towards IPS constructs where all prime movers turn generators, propulsion is provided through Alternating Current (AC) or Direct Current (DC) machines, and these propulsion motors, as well as auxiliary, ancillary and hotel loads will all feed off one power grid.

Conventional naval ships are designed with backup systems to maintain operational capabilities for short periods when power generation equipment capability is lost. With Electrical Power Generation and Distribution (EPG&D) and propulsion systems delinked, conventional warships can still maneuver in the event of a blackout. In addition, a loss of propulsion has no impact on the EPG&D system and thus other vital safe-at-sea equipment, such as internal and external communications and navigational radars, as well as combat equipment, all remain operational.

In an IPS warship, however, a loss of power generation capability will render all ship systems inoperable including propulsion. In this state, a warship is extremely vulnerable not only to combat threats but also to navigational hazards. This risk can be mitigated by having a backup power system that is able to meet electric demand long enough for operators to restore power generation capability.

Ships’ generators often use speed droop to ensure balanced loading between power sources. A ship-wide Ultracapacitive Energy Storage (UCES) System that is responsive to frequency changes can seamlessly integrate with an isolated EPG&D system. In doing so, this UCES would significantly increase blackout redundancy, risk mitigating future IPS warship operations, while decreasing fuel consumption and increasing operational endurance. By using MATLAB’s Simulink for system modelling, this thesis provides a proof of concept for integrating a UCES system into future IPS warships.

Les véhicules de transport terrestres se tournent présentement vers les systèmes hybrides ou à batteries pour réduire la consommation de carburant et augmenter l’efficacité. La technologie émergence des ultracondensateurs joue un rôle clé dans ces véhicules en offrant une capacité de stockage d’énergie et une capacité d’intensification. Ces mêmes technologies peuvent être appliquées au monde changeant des navires au mode de système intégré de production (SIP).

Les vaisseaux civils et militaires se tournent vers les SIP où les moteurs primaires tournent des générateurs, la propulsion est fournie par des machines à courant alternatifs ou continus et ces moteurs à propulsions, en plus des charges auxiliaires (primaires et secondaires) et de la gestion domestiques, vont être approvisionnés d’un seul réseau électrique.

Les navires conventionnels sont conçus avec des systèmes de réserve pour maintenir leur capacité opérationnelle durant les courtes périodes de temps où la capacité de génération de courant est perdue. Parce que les systèmes de génération et distribution de courant et les systèmes de propulsions sont séparés, les navires de guerre conventionnels peuvent manœuvrer lors de pannes de courant. De plus, un mal fonctionnement des systèmes de propulsion n’a pas d’impact sur les systèmes électriques, et l’équipement vital de sécurité comme les systèmes de communication internes et externes, les radars de navigation et l’équipement de combat demeurent opérationnels.

Cependant, dans un navire de guerre SIP, une perte de courant rend tous les systèmes inopérables, incluant les systèmes de propulsion. Dans cet état, un navire de guerre est très vulnérable aux dangers du combat et de la navigation. Ce risque peut être mitigé en ayant un système de réserve capable de rencontrer la demande en électricité jusqu’à ce que les opérateurs puissent réparer le système de génération de puissance électrique.

Les génératrices des navires utilisent souvent un écart permanent de tours pour s’assurer que les charges sont balancées entre les sources de puissance. Un système de stockage d’énergie ultra capacitive répondant aux changements de fréquence peut s’intégrer avec un système isolé de génération et distribution de courant. De ce fait, ce système de stockage augmenterait la redondance lors de pertes de courant, mitigerait les risques envers les opérations des navires SIP, améliorerait les économies de carburant et augmenterait l’endurance opérationnelle. En utilisant MATLAB Simulink pour la modélisation du système, cette thèse fournie une validation du principe d’intégration d’un système de stockage d’énergie ultra capacitive dans un futur navire SIP.