Algorithm for Efficiency Support in Marine vessels
Master thesis
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2589]
Abstract
Offentlige myndigheter har håndhevet flere regler og forskrifter som har som formål å redusere ulike utslipp fra marine industri. I denne sammenheg har det værtfokusert mye på sette krav til effektivisering av skip.
Moderne marine kraftsystemer økter konstant i antall kraftprodusenter, ofte medulike effektnivå, i tillegg til tilleggskraftkilder som ulike energilagringssystemer.Bakgrunnen for dette arbeidet er at det er utrolig utfordrende for menneskeligeoperatører å finne det optimale arbeidspunktet mellom disse kraft kildene, noesom kan føre til at feil beslutning blir gjort som fører til et ineffektiv system somresulterer i økt drivstofforbruk . Hovedmålet er å utvikle en optimal styringsstrategifor kraftproduksjon for å øke systemeffektiviteten og redusere drivstofforbruket.
Avhandlingen starter med å gi en kort introduksjon til marine kraft systemer medvekt på system oppbygging og energiproduksjon. For å håndtere de uforutsigbare og dynamiske last endringene, blir det presenter et tre-nivå hierarkisk kontrollstruktur. Det tertiære kontrollnivået også kjent som Energy Mangament System(EMS) har som hovedmål å styre and planlegge kraft produksjonen på en mesteffektive og bærekraftige måte.
EMS er forklart i detalj med vekt på problemdefinisjon og ulike målsettninger.Basert på denne teorien er det mulig å presentere EMS som et optimeringsproblem.Ulike løsningsmetoder blir derfor utforsket og diskutert med vekt på ulike ulemperog fordeler er et forskningsgap er identifisert. Basert på denne bakgrunn er en nyEMS-algoritme utviklet med formål å minimere kraften som leveres til lasten, dvs.minimere systemets effekttap
Tapsmodeller for systemkomponenter inkludert generator, transformator, SWB,thruster motor, propeller, omformer og batteriet presenteres. Hvert komponentapplikasjonsområde er forklart i detalj med vekt på hvilken type tap som er tilstede.
For å undersøke effekten av kraftplanlegging er en matematisk problemformulering av "Unit Commitmentproblem utledet. Den nye EMS strategien er testet påkraftsystem omboard SeaCore Maya. I det første tilfellet blir ESS forsømt, og propellerdynamikk er inkludert. Hovedfokuset er på hvordan den foreslåtte optimaliseringsalgoritmen koordiner kraftproduksjonsen baserte systemtap. Neste sak ESSble inkludert, og systemet ble utsatt for 24-timers lastprofil.
Testresultatene fra den første casestudien viser at systemdynamikken har en betydelig innflytelse på hvordan algoritmen koordinerer effekt productionen. En optimal generasjonsplan oppnås for hvert lastpunkt. Testresultater fra tilfelle to viserat algoritmen bruker ESS som et verktøy for å øke systemeffektiviteten og regulere hovedmotorbelastningen som resulterer i minimert brenselforbruk når engasjementet i generasjonsenheten ikke gjør trikset. Government bodies have enforced several rules and regulations intending to reduce the environmental footprint of the marine industry. The modern marine powersystem has several generation units often with different power rating addition toancillary power sources like an energy storage system. The background for thiswork is the fact that it is incredibly challenging for human operators to find theoptimal working point between the system components, which may lead to thewrong decision being made and may lead to inefficient vessel operation resultingin increased fuel consumption and decreased system efficiency. The main objectiveis to develop an optimal control strategy for power generation to increase systemefficiency and reduce fuel consumption
The thesis starts with giving a brief introduction to marine power systems withan emphasis on system composure and energy production. To deal with the unpredictable and dynamic load power changes, a three-level hierarchical controlstructure is presented. The tertiary control level main objective is to manage theonboard power production in the most efficient and sustainable way and is commonly known as the Energy Management System(EMS).
The EMS is explained in detail with an emphasis on problem definition and objective. Based on this theory, it is possible to present the EMS as an optimizationproblem. Various solution methods are therefore explored and discussed with emphasis on various drawbacks and benefits. A missing research gap is identified, andon this basis, a new EMS algorithm is developed with the objective to minimizethe power delivered to load i.e., minimize the system power losses.
Loss models for system components including generator, transformer, SWB, thruster motor, propeller, converter, and the battery is presented. Each component application area is explained in detail with an emphasis on which type of loss is present.
To further investigate the effects of power scheduling a general unit commitmentmathematical problem formulation is derived. Binary variables are used to modelthe commitment status of each generator.
The newly developed EMS strategy is tested using the power system of SeaCoreMaya. In the first case, ESS is neglected, and propeller dynamics are included.The main focus was on how the proposed optimization algorithm coordinated thepower production based on system losses. In the next case ESS was included, andthe system was exposed to 24-hour load profile.
The test results from the first case study show that system dynamics have a significant influence on how the algorithm coordinates the switchboard configuration. Anoptimal generation schedule is obtained for every load point. Test results from casetwo show that the algorithm uses the ESS as a tool to increase system efficiencyand regulate the prime mover loading resulting in minimized fuel consumptionwhen the commitment of generation unit does not do the trick.