Model-Based Optimization for Energy and Emission Management of a Marine Hybrid Electric Power System

Abstract

Den maritime næringen står for omtrent 3% av de globale CO2-utslippene. Med et økende fokus på mer miljøvennlige løsninger og et ønske om å løse dagens klimautfordringer, er hybridelektriske skip essensielle for at den maritime næringen skal klare å redusere utslippene sine. Det å installere batterier på skip er derfor et viktig tiltak for at skipsfarten skal bevege seg i en grønnere retning.

Denne avhandlingen presenterer en ny modell for hybridelektriske kraftsystemer, som kalles den strukturbevarende modellen (SPM). SPM-en gjelder opprinnelig kun for konvensjonelle kraftsystemer uten batteri, men et av bidragene i denne avhandlingen er å utvide SPM-en for hybridelektriske kraftsystemer, der en batteri-modell er utviklet. Gjennom en verifikasjonsstudie bekreftes det at SPM-en er en nøyaktig modell for hybridelektriske kraftsystemer, og det konkluderes med at SPM-en er godt egnet til kontrollformål, og at den kan brukes som en modell for å optimalisere energibruken i et hybridelektrisk kraftsystem. Optimaliseringsproblemer som bruker modellprediktiv regulering (MPC) er formulert for tre forskjellige batteristrategier, og løsningene på disse problemene presenteres i en casestudie for et dynamisk posisjonert fartøy. De ulike batteristrategiene som brukes i denne avhandlingen er topputjevning (peak-shaving), kraftutjevning (power smoothing) og strategisk lasting (strategic loading), og i tillegg brukes en strategi uten batteri til sammenligning, som representerer et tradisjonelt kraftsystem. Resultatene fra casestudien indikerer at strategisk lasting er en effektiv batteristrategi. Sammenlignet med å ikke bruke batteri, reduserer strategisk lasting drivstofforbruket med 7% for en kort simulering på 1000 sekunder, og med 5,3% for en lang simulering på 24 timer, som er basert på en realistisk fartøysoperasjon.

Selv om det ikke er hovedfokuset i denne avhandlingen, sammenlignes også resultatene med en annen effektiv strategi for å redusere utslipp, såkalt gensettfrakobling, som betyr å slå av og på generatorsett avhengig av lasten. Gensettfrakobling gir store drivstoffbesparelser, og resultatene indikerer at for den korte simuleringen reduseres drivstofforbruket med 16,1% for gensettfrakobling uten batteri, og med 17,7% for gensettfrakobling kombinert med strategisk lasting. For den lange simuleringen er de tilsvarende tallene henholdsvis 38,1% og 38,5%. Følgelig anses det å kombinere gensettfrakobling og strategisk lasting som en effektiv strategi for hybridelektriske skip. Simuleringene viser også at transiente effekter kan oppstå i det hybridelektriske kraftsystemet, enten på grunn av batteriet, som antas å levere effekt øyeblikkelig, eller på grunn av ustabilitet knyttet til gensettfrakobling. Når gensettfrakobling ikke utføres, er frekvensen innenfor de stasjonære grensene satt av klasseselskap, men simuleringene viser at gensettfrakobling kan føre til at disse frekvensgrensene overskrides.

The maritime industry accounts for approximately 3% of the global CO2 emissions. With the rising concern for more environmentally friendly solutions and a desire to solve today's climate challenges, hybrid electric ships are essential for the maritime industry to reduce its emissions, and installation of batteries on ships is therefore an important measure for shipping to move in a greener direction.

This thesis presents a new model for hybrid electric power systems, which is called the structure-preserving model (SPM). The SPM is originally only valid for conventional power systems without battery, but one of the contributions of this thesis is to extend the SPM for hybrid electric power systems, where a battery model is developed. It is verified that the SPM is an accurate model for hybrid electric power systems through a verification study, and it is concluded that the SPM is well fit for control purposes, and that it can be used as a model to optimize the energy use in a hybrid electric power system. Optimization problems using model predictive control (MPC) are formulated for three different battery strategies, and the solutions to these problems are presented in a case study for a dynamically positioned vessel. The different battery strategies in this thesis are using the battery for peak-shaving, power smoothing and strategic loading, and in addition, a strategy without battery is used for comparison, representing a traditional power system. The results from the case study indicate that strategic loading is an efficient battery strategy. Compared to without using battery, strategic loading reduces the fuel consumption with 7% for a short simulation of 1000 seconds, and with 5.3% for a long simulation of 24 hours, based on a realistic vessel operation.

Even though not the main focus of this thesis, the results are also compared to another efficient strategy for reducing emissions, which is genset disconnection, meaning turning on and off generator sets depending on the load. Genset disconnection gives large fuel savings, and the results indicate that for the short simulation, the fuel consumption is reduced by 16.1% for genset disconnection without battery, and by 17.7% for genset disconnection combined with strategic loading. For the long simulation, the corresponding numbers are 38.1% and 38.5%, respectively. Consequently, combining genset disconnection and strategic loading is deemed an efficient strategy for hybrid electric ships. The simulations also show that transient effects can occur in the hybrid electric power system, either due to the battery power, which is assumed to be delivered instantly, or due to instabilities from the genset disconnection. When not performing genset disconnection, the frequency is within the steady-state limits set by class societies, but the simulations show that genset disconnection can make the frequency exceed these limits.