Model Predictive Control of a Variable Speed Back-up Diesel Generator Interfaced to an AC Ship Power System as a Virtual Synchronous Machine

Abstract

Dieselelektriske marine kraftsystemer kan bli utsatt for store belastningsvariasjoner. Belastningen kan for eksempel variere imellom full fremdrifts-belastning og veldig lav hotel-belastning. Drivstoff-effektiviteten i et kraftsystem uten batteri-lagring kan være dårlig i situasjoner med lav belastning fordi hoved-generatorene vanligvis er dimensjonert for større belastninger. Implementasjon av en mindre variabel-hastighet diesel-generator foreslås som en løsning for å forbedre drivstoff-effektiviteten under situasjoner med lite belastning. En slik løsning kan være aktuell som et alternativ til et batterisystem, dersom dette ikke er tilgjengelig eller har for lav kapasitet til langvarig drift.

Arbeidet presentert i denne oppgaven er sentrert rundt en Simulink-modell bestående av en variabel-hastighet diesel-generator (VSDG) og en DC/DC-omformer, som et grensesnitt mot en nett-tilkoblet virtuell synkronmaskin (VSM). VSMen kan både driftes i tilkobling hoved-generatorene og i øy-drift. Overgangen fra nett-tilkoblet til øy-drift er sømløs, som i en fysisk generator, uten noen endringer in driftsmodus. Styresystemet for generatoren og DC/DC-omformeren er hovedtemaet i denne oppgaven. En funksjonell verifisering av VSM-modellen ble gjennomført tidligere, i spesialiseringsprosjektet. Den virtuelle synkronmaskinen er derfor ikke i sentrum av denne oppgaven, men er implementert som et separat kontrollsystem for å danne en full AC-DC-AC-omformer.

I situasjoner med svært lav belastning kan det være et potensiale for drivstoff-besparelser ved å redusere generatorhastigheten i tråd med belastningen. Drift ved redusert hastighet vil imidlertid medføre utfordringer i et tilfelle med en plutselig økning i belastning på grunn av tregheten i svingmassen til diesel-generatoren. En stor økning i belastning ved lav generatorhastighet kan medføre et betydelig spenningsfall, eller i verste fall, kvele dieselmotoren. For å holde systemet stabilt ved lastøkinger under redusert generatorhastighet, har en adaptiv lineær modellprediktiv regulator blitt implementert for å kontrollere generatorens hastighet og magnetisering samt DC-link strøm.

En modell av systemet er laget som prediksjonsmodell til MPC og blir også brukt til små-signal tuning av et konvensjonelt kontrolldesign som er sammensatt av SISO PI-regulatorer. Modellen er laget med kjente teknikker for synkronmaskin- og kraftelektronikk -modellering.

MPCen er sammenlignet med det konvensjonelle kontrollsystemet. Begge disse kontrollsystemene er funksjonstestet i en AC-DC-AC full-system-simulasjon med sprang i belastning og omkobling fra nett-tilkoblet til øy-drift. Den adaptive MPCen er bevist å kunne håndtere økninger i belastning, ved redusert generatorhastighet, bedre enn det konvensjonelle kontrollsystemet, gitt at den nødvendige spenningsreduksjon tillates.

A diesel-electric ship power system may be subjected to large load variations, spanning from full propulsion load to hotel loads, or anywhere in between. The fuel efficiency in a power system without battery storage capabilities may be poor during low-load situations because the main generators are typically dimensioned for larger loads. A small variable-speed diesel generator implementation is proposed as a solution for improving fuel efficiency during low-load situations. Such a solution may take the role as an alternative in case a battery system is not available or has too low capacity for long term operation.

The work presented in this thesis is done in connection with a Simulink simulation consisting of a variable-speed diesel generator (VSDG) and a DC/DC converter interfaced to an AC ship power system as a virtual synchronous machine (VSM). The VSM can operate both islanded and connected to the main generators. The transition from grid-connected to islanded operation is seamless, like in a physical generator, without any switching between operational modes. The VSDG and DC/DC converter control system is the main topic of this thesis. A functional verification of the VSM model was performed earlier, in the specialization project. The VSM is therefore not in the centre of this work but is implemented as a separate control system to form a full AC-DC-AC converter.

During very low load situations there may be a potential for fuel savings by minimizing the generator speed in line with the load power. However, such a minimized speed operation will entail challenges during a sudden load increase due to the large diesel generator inertia. A large load increase during low speed operation would cause a significant voltage drop, or even worse, cause the diesel engine to stall. To keep the system stable during load surges at reduced generator speed, an adaptive linear model predictive controller is implemented to control the VSDG speed and excitation along with the DC/DC converter current.

A model is made for the purpose of MPC prediction and is also used to perform small-signal tuning of a conventional control system made using multiple SISO PI controllers. The model is made using well known techniques for synchronous machine and power electronics modelling.

The MPC performance is compared to that of the conventional SISO control design. Both control designs are verified in a full AC-DC-AC system simulation subjected to load changes and a transition from grid-connected to islanded operation. The MPC system is shown to handle load surges during reduced speed operation better then the SISO system, given that a momentarily output voltage reduction is allowed.