Zhuk D. Ship Electrical Power Systems with High-Power Semiconductor Propulsion Complexes

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0525U000144

Thesis Registration Form

0525U000144.pdf

Applicant for

Specialization

  • 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

05-04-2025

Specialized Academic Board

Д 45.052.01

Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University

Essay

This dissertation addresses the applied problem of improving power quality (PQ) in ship electrical systems with high-power semiconductor propulsion complexes (SPCs). It focuses on using fast-response devices for reactive power compensation with simultaneous harmonic distortion mitigation. Poor PQ from SPCs negatively impacts ship operation and safety, potentially causing accidents. The work identifies directions for improving PQ assurance in integrated shipboard systems with SPCs, following marine standards. This ensures effective reactive power compensation, while simultaneously reducing harmonic distortion to required limits, and maintains invariance to voltage and frequency deviations. A new mathematical model describes the quasi-steady electromagnetic processes in the AC circuits of a six-pulse uncontrolled input rectifier within a frequency converter of an asynchronous propulsion electric drive. The model assumes ideally smoothed rectified voltage across the capacitive filter and accounts for both discontinuous and continuous rectified current modes, enabling the determination of universal external and load characteristics of the rectifier. Generalized analytical expressions have been derived for individual and integral harmonic distortion indicators in input voltage, as well as for the rectifier's integral energy characteristics, accounting for the full harmonic spectrum in both rectified current modes. Using the method of individual components and the Laplace transform, a new mathematical model has been developed for an autonomous network powering a six- or twelve-pulse thyristor converter with a G-shaped LC filter and smoothed rectified current, as part of a frequency converter for a synchronous propulsion electric drive. The model accounts for the mutual influence between the network, filter, and converter. Analytical expressions for the integral harmonic distortion coefficient of the network voltage and individual harmonic distortion coefficients were derived from steady-state electromagnetic processes using Fourier transformation and Parseval's theorem. For the first time, a principle for a controlled filter-compensating device has been developed, combining a power resonance filter and a controlled reactor compensator with PWR for effective reactive power compensation and harmonic reduction in systems with semiconductor propulsion drives, without additional resonances or interferences. A new computational model of the filter, in single- and two-stage configurations, enables efficiency evaluation under network frequency deviations and various input rectifiers in SPCs. A methodology for reactive power compensation in marine power systems with multiple semiconductor propulsion drives has been developed for the first time, independent of the source, using an observer with generator current and voltage sensors. New models were created, and the efficiency of the controlled filter-compensating device was verified in a self-propelled floating crane with a SPC, considering parasitic cable line parameters. Dissertation results were implemented in educational and industrial practices. Keywords: power system, frequency converter, reactive power, voltage distortion, controlled filter-compensating device.

Read more

Research papers

1. Zhuk D., Zhuk O., Kozlov M., Stepenko S. Evaluation of Electric Power Quality in the Ship-Integrated Electrical Power System with a Main DC Bus and Power Semiconductor Electric Drives as Part of the Electric Propulsion Complex. Energies. 2023. 16(7):2961. (Scopus «Q1»).

2. Markowska K., Zhuk D., Zhuk O., Kozlov M., Stepenko S., Voskoboenko V., Stecuła K., Miroshnyk O., Shchur T. Analysis and improvement of power quality in the onboard electrical power systems within a self-propelled floating crane. International Journal of Electrical Power & Energy System. Volume 161, 2024, 110179, ISSN 0142-0615. (Scopus «Q1»).

3. Zhuk A.K., Zhuk D.A, Krivoruchko D.V., Stepenko S.A. Controlled filter-compensating gear for the autonomous electric power system with high-power converters. Technical Electrodynamics. 2016. Volume 2016, Issue 4, Pages 32–34. (фахове видання категорії «А», Scopus «Q3»).

4. Жук О.К., Жук Д.О., Криворучко Д.В. Несинусоїдальність напруги в автономній електроенергетичній системі з керованим фільтрокомпенсуючим пристроєм. Технічна електродинаміка. – 2018. – №5. – С. 26–30. (фахове видання категорії «А», Scopus «Q3»).

5. Жук Д.А. Управление силовыми активными фильтрами с использованием датчиков тока. Автоматизация судовых технических средств. Одесса: ОГМА. 2002. Вып. 7. С. 57–66. (Фахове видання категорії «Б»).

6. Жук Д.А. Защита асинхронного двигателя от перенапряжений в системе частотно-регулируемого электропривода с учетом кабельной линии. Межведомственный научно-технический сборник «Электромашиностроение и электрооборудование». 2001. Вып. 57. С. 40–44. (Фахове видання категорії «Б»).

7. Жук А.К., Жук Д.А. Комплексная оценка и обеспечение качества электроэнергии в единой ЭЭС двойного рода тока бурового судна «Газпром-1». Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. Кременчук: КДПУ. 2002. Вип. 2/2002(12). С. 208–211. (Фахове видання категорії «Б»).

8. Жук А.К., Жук Д.А. Параллельный гибридный фильтр в автономной электроустановке с нелинейной нагрузкой. Межведомственный научно-технический сборник «Электромашиностроение и электрооборудование». 2002. Вып. 58. С. 62–68. (Фахове видання категорії «Б»).

9. Жук Д.А. Симметричные и несимметричные помехи в системе инвертор с ШИМ - асинхронный двигатель. Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ. Кременчук: КДПУ. 2003. Вип. 2/2003(19). С. 121–125. (Фахове видання категорії «Б»).

10. Жук Д.А. Моделирование и расчет согласующих пассивных фильтров для активных и гибридных фильтрокомпенсирующих устройств. Міжвідомчий науково-технічний збірник «Електромашинобудування і електрообладнання». 2004. Вип. 63. С. 59–65. (Фахове видання категорії «Б»).

11. Жук Д.А. Схема замещения асинхронного двигателя для высокочастотных гармоник. Збірник наукових праць НУК. 2005. №2. С. 94–104. (Фахове видання категорії «Б»).

12. Жук А.К., Жук Д.А., Трибулькевич С.Л. Анализ несинусоидальности напряжения в системах с тиристорными преобразователями при наличии коммутационных колебаний. Міжвідомчий науково-технічний збірник «Електромашинобудування і електрообладнання». 2005. Вип. 64. С. 37–45. (Фахове видання категорії «Б»).

13. Блинцов В.С., Жук О.К., Костенко Д.В., Жук Д.О. Забезпечення електромагнітної сумісності елементів електросистеми підводного апарата «Агент-1». Технічна електродинаміка. 2006. Ч. 6. С. 112–115. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». (Фахове видання категорії «Б»).

14. Жук Д.О., Жук О.К. Вплив параметрів кабельної лінії на імпульсні перенапруги в асинхронних частотно-регульованих електроприводах. Міжвідомчий науково-технічний збірник «Електромашинобудування і електрообладнання». 2005. Вип. 65. С. 39–42. (Фахове видання категорії «Б»).

15. Жук Д.А., Блинцов В.С., Жук А.К. Исследование влияния частотно-регулируемых асинхронных электроприводов на питающую сеть. Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2007. №2–3. С. 4–9. (Фахове видання категорії «Б»).

16. Жук Д.О. Модель системи електрозабезпечення морських бурових платформ на базі високовольтної передачі постійного струму. Технічна електродинаміка. 2008. С. 72–75. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». (Фахове видання категорії «Б»).

17. Жук А.К., Жук Д.А. Фильтрокомпенсирующее устройство с управляемым реакторным компенсатором. Електронний вісник НУК. Миколаїв. 2010. №1. (Електронне фахове видання категорії «Б»).

18. Жук О.К., Жук І.Ю., Жук Д.О., Криворучко Д.В., Воскобоєнко К.А. Керування високовольтними передачами постійного струму на базі повністю керованих напівпровідникових перетворювачів. Shipbuilding & Marine Infrastructure. Миколаїв. НУК. 2018. №1(9). С. 68–75. (Фахове видання категорії «Б»).

19. Linchenko V., Zhuk D., Lysenko N., Stepenko S., Zhuk I. GREEN ENERGY: PROBLEMS OF ENVIRONMENTAL PROTECTION. Ecological Safety and Balanced Use of Resources. 2(26). (Mar. 2022). P. 58–68. (Фахове видання категорії «Б»).

20. Жук О.К., Жук Д.О., Трибулькевич С.Л. Удосконалення методу оцінки гармонічних спотворень напруги в суднових електроенергетичних системах з потужними тиристорними пропульсивними комплексами та мережними фільтрами. Збірник наукових праць НУК. 2023. №1. – С. 143–155. (Фахове видання категорії «Б»).

21. Жук Д.О, Жук О.К, Козлов М.О. Удосконалення засобів забезпечення якості електроенергії в суднових ЕЕС з напівпровідниковими пропульсивними комплексами. Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. Вип. 68, Вересень 2024, с. 029. (Фахове видання категорії «Б»).

22. Анисимов Я.Ф., Жук Д.А. Электромагнитные процессы в зарядной цепи высоковольтного генератора установки для определения мест повреждения кабельных трасс. Межведомственный научно-технический сборник «Электромашиностроение и электрооборудование». 1998. Вып. 51. С. 93–98.

23. Блинцов В.С., Вильский Г.Б., Жук А.К., Жук Д.А. Влияние качества электроэнергии в СЭЭС на безопасность движения судна и осуществление перегрузочных операций. Портові технології та техніка мореплавання. Збірник наукових праць. Одеса: «ВидавІнформ» ОНМА. 2007. С. 84–92.

24. Жук А.К., Жук Д.А. Запальский В.Н. Управляемое фильтрокомпенсирующее устройство. Теорія й практика науково-технічного журналу «ЕЛЕКТРОІНФОРМ». Львів: ЕКОінформ. 2009. С. 309–312. Темат. вип. «Проблеми автоматизованого електроприводу».

25. Zhook D.A., Zhook A.K. Complex rating and power quality providing in ac/dc electric power system of drilling vessel «Gazprom-1». UEES–2001. Proceedings of 5th International scientific and technical conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems. Miedzyzdroje. Poland. 5–8 September. 2001. Vol. 2. P. 551–556.

26. Zhook D.A., Zhook A.K. Using active filters in autonomous power systems with static converters. UEES–2001. Proceedings of 5th International scientific and technical conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems. Miedzyzdroje. Poland. 5–8 September. 2001. Vol. 2. P. 557–560.

27. Blintsov V.S., Zhook A.K., Zhook D.A. Main features of electric power systems used on modern offshore drilling vessels. UEES–2004. Proceedings of 6th International scientific and technical conference on Unconventional Electromechanical and Electrical systems. Alushta. The Crimea. Ukraine. 24–29 September 2004. Vol. 2. P. 465–470.

28. Zhuk O., Zhuk D., Kryvoruchko D., Stepenko S. An Improvement of Compensators of Complete Power Non-Active Components in Autonomous Electric Power Systems. IEPS-2016. Proceedings of 2th International scientific and technical conference on Intelligent Energy and Power Systems. Kyiv. Ukraine. 7-11 June 2016. P. 31–35. (Scopus).

29. Galyga A., Prystupa A., Zhuk D. The Clarification Method of Power Losses Calculation in Wires of Transmission Lines with Climatic Factors. IEPS-2016. Proceedings of 2th International scientific and technical conference on Intelligent Energy and Power Systems. Kyiv. Ukraine. 7–11 June 2016. P. 36–39. (Scopus).

30. Жук А.К., Жук Д.А., Криворучко Д.В. Фильтрокомпенсирующее устройство с широтно-импульсным регулированием реакторного компенсатора. Електротехніка і електромеханіка. Спеціальний випуск до XXII Міжнародної науково-технічної конференції «Силова електроніка та енергоефективність». 26–28 червня 2016. Т. 2. С. 59–66. (Scopus).

31. Zhuk O., Zhuk D., Kryvoruchko D., D’yakonov O. Control of Improved Hybrid Power Line Conditioner. ELNANO-2018. Proceedings of the IEEE 38th International Conference on Electronics and Nanotechnology. Kyiv. Ukraine. 24–26 April 2018. P. 605–610. (Scopus).

32. Zhuk O., Zhuk D., Kryvoruchko D. Voltage Harmonic Distortion in Autonomous Electric Power System with an Adjustable Power Line Conditioner. IEPS-2018. Proceedings of the 3th International Conference on Intelligent Energy and Power Systems. Kharkiv. Ukraine. 10–14 September 2018. P. 33–38. (Scopus).

33. Zhuk O., Zhuk D., D’yakonov O. Input Voltages and Currents Distortion and Power Factor of Frequency Converters. ELNANO-2020. Proceedings of the IEEE 40th International Conference on Electronics and Nanotechnology. Kyiv. Ukraine. 22–24 April 2020. P. 791–796. (Scopus).

34. O. Zhuk, S. Trybulkevich, D. Zhuk, V. Ryabenkij Modelling of a Filter-Compensating Device with a Controlled Reactor Compensator. 7th International Conference on Digital Technologies in Education, Science and Industry, DTESI 2022 October 20–21. Almaty. Kazakhstan. P. 313–324.

35. Жук Д.О., Жук О.К., Козлов М.О., Степенко С.Л., Воскобоєнко В.І. Спотворення напруг і струмів в мережі плавкрана з напівпровідниковими пропульсивними установками. Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та систем Матеріали XIII Міжнародна науково-практичної конференції. Чернігів: НУ «Чернігівська політехніка». 25–26 травня 2023. – Т. 2. – С. 190–192.

36. Силовий гібридний фільтр: 78811 Україна: H03B1/00 / Д.О. Жук, О.К. Жук, С.Л. Трибулькевич. – № a200500613; заявл. 24.01.2005; опуб. 25.04.2007; бюл. № 5/2007.

37. Система керування паралельним силовим гібридним фільтром: 79299 Україна: H03B1/00 / О.К. Жук, Д.О. Жук, В.М. Запальский. – № a200501882; заявл. 28.02.2005; опуб. 11.06.2007; бюл. № 8/2007.

38. Керований фільтро-компенсуючий пристрій: 57063 Україна: H03B1/00 / О.К. Жук, Д.О. Жук, В.М. Запальский. – № u201008647; заявл. 12.07.2010; опуб. 10.02.2011; бюл. № 3/2011.

39. Система керування фільтро-компенсуючим пристроєм: 79927 Україна: H03B1/00 / О.К. Жук, В.М. Запальский, Д.О. Жук, К.М. Запальский. – № u201211662; заявл. 09.10.2012; опуб. 13.05.2013; бюл. № 9/2013.

40. Керований гібридний фільтрокомпенсуючий пристрій: 120790 Україна: H03B1/04 / О.К. Жук, Д.О. Жук, Д.В. Криворучко. – № u201606148; заявл. 06.06.2016; опуб. 27.11.2017; бюл. № 22/2017.

41. Удосконалена система широтно-імпульсного регулювання двигуном постійного струму: 133503 Україна: G05B13/02 / О.В. Савченко, Д.О. Жук, О.К. Жук, Д.В. Криворучко. – № u201810878; заявл. 02.11.2018; опуб. 10.04.2019; бюл. № 7/2019.

Read more

Files

Dis_Zhuk.pdf

autoreferat-__AutorefZhuk.pdf

Similar theses

0525U000252

Yurii O. Biletskyi

Development of methods for the synthesis of nonlinear electrical systems on an energy basis

0424U000227

Oleksandr Y. Savoiskyi

Electrotechnological complex for drying fruit raw materials using direct electric heating and ultrasound

0424U000141

Vladyslav Y. Mishchenko

Increasing the efficiency of electricity consumption by ore-thermal furnaces

0421U104091

Boiko Ivan Yu.

Dynamic tariffing in the power supply system

0421U104059

Herasymenko Viacheslav Panasovych

Improving the reliability of protection and prevention of dangerous leakage currents in power supply systems with a voltage of 0.38 kV