[논문 리뷰] Predictive Control for Energy Management in Ship Power Systems under High-power Ramp Rate Loads

Tuyen Vu, David Gonsoulin외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 06.

Multilevel Inverters and Converters참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 레일건과 고급 레이더와 같은 고출력 램프율 하중 조건에서 선박 전력 시스템의 안정성을 확보하기 위해 모델 예측 제어(MPC) 기반 에너지 관리 시스템을 제안한다. 실시간으로 에너지 저장 시스템과 발전기를 조율함으로써, 전력 균형을 유지하고 불안정성을 방지하며, 축소된 규모의 전기 선박 전력 시스템에서의 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 검증된다.

ABSTRACT

Electrical weapons and combat systems integrated into ships create challenges for their power systems. The main challenge is operation under high-power ramp rate loads, such as rail-guns and radar systems. When operated, these load devices may exceed the ships generators in terms of power ramp rate, which may drive the system to instability. Thus, electric ships require integration of energy storage devices in coordination with the power generators to maintain the power balance between distributed resources and load devices. In order to support the generators by using energy storage systems, an energy management scheme must be deployed to ensure load demand is met. This paper proposes and implements an energy management scheme based on model predictive control to optimize the coordination between the energy storage and the power generators under high-power ramp rate conditions. The simulation and experimental results validate the proposed technique in a reduced scale, notional electric ship power system.

연구 동기 및 목표

• 레일건 및 고급 레이더 시스템과 같은 고출력 램프율 하중으로 인한 선박 전력 시스템의 불안정성 문제를 해결한다.
• 에너지 저장 시스템과 발전기를 조율하는 에너지 관리 전략을 개발하여 전력 균형을 유지한다.
• 전기 선박의 일시적 고수요 하중 조건 하에서 시스템의 안정성과 신뢰성을 확보한다.
• 축소된 규모의 시험 플랫폼에서의 시뮬레이션 및 실험 테스트를 통해 제안된 제어 방식을 검증한다.

제안 방법

• 유한한 수평 기간 동안 미래 시스템 상태를 예측하고 제어 조치를 최적화하기 위해 모델 예측 제어(MPC)를 활용한다.
• 급격한 하중 변화 시 에너지 저장 시스템(ESS)과 선박 내 발전기를 통합하여 전력을 흡수하거나 공급한다.
• 전압 및 주파수 안정성을 유지하면서도 발전기의 램프율과 ESS 사용량을 최소화하는 최적화 문제를 수립한다.
• 정확한 예측을 위해 발전기, ESS 및 고램프율 하중을 포함한 선박 전력 시스템의 동적 시스템 모델을 구축한다.
• 현재 측정값을 기반으로 제어 입력을 지속적으로 업데이트하기 위해 후퇴 수평 기반의 실시간 제어를 구현한다.
• 하드웨어 인 더 루프 테스팅을 통해 축소된 규모의 개념 전기 선박 전력 시스템에서 제어 전략을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 램프율 하중으로 인한 선박 전력 시스템의 불안정성을 완화하기 위해 에너지 저장 시스템을 발전기와 어떻게 최적화하여 조율할 수 있는가?
• RQ2 일시적 고역동성 하중 조건 하에서 안정적인 전압 및 주파수 작동을 보장하는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 모델 예측 제어가 급격한 하중 변화 시 발전기의 램프율과 ESS의 스트레스를 최소화하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 제안된 MPC 기반 에너지 관리 전략은 축소된 규모의 선박 전력 시스템에서 실용적으로 구현되고 검증될 수 있는가?

주요 결과

• MPC 기반 에너지 관리 전략은 고출력 램프율 하중 이벤트 동안 시스템 안정성을 성공적으로 유지하여 전압 및 주파수 편차를 방지했다.
• 기존 제어 전략 대비 발전기의 램프율이 크게 감소하여 시스템 수명 연장과 신뢰성 향상에 기여했다.
• 에너지 저장 시스템은 피크 전력 수요를 효과적으로 흡수하여 급격한 하중 전환 시 발전기의 스트레스를 감소시켰다.
• 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 제안된 제어 접근법의 실현 가능성과 강건성을 축소된 규모의 시험 플랫폼에서 입증했다.