[論文レビュー] Predictive Control for Energy Management in Ship Power Systems under High-power Ramp Rate Loads

Tuyen Vu, David Gonsoulin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Multilevel Inverters and Converters参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、レールガンや高度レーダーなどの高ランレート負荷がかかる状況下で、船の電力システムの安定化を図るモデル予測制御（MPC）に基づくエネルギー管理システムを提案する。リアルタイムでエネルギー貯蔵システムと発電機を連携させることで、電力バランスを維持し、不安定化を防止する。シミュレーションおよび縮尺モデル電力船システムを用いた実験結果により検証された。

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.

研究の動機と目的

• レールガンや高度レーダーシステムなどの高出力ランレート負荷によって引き起こされる船の電力システムにおける不安定化の課題に対処すること。
• 発電機とエネルギー貯蔵システム（ESS）を連携させたエネルギー管理戦略を開発し、電力バランスを維持すること。
• 電気船における過渡的で高需要の負荷状態下でも、システムの安定性と信頼性を確保すること。
• 縮尺モデル実験台を用いたシミュレーションおよび実験的検証により、提案された制御方式を検証すること。

提案手法

• 有限時間の予測ホライズン内で将来のシステム状態を予測し、制御行動を最適化するため、モデル予測制御（MPC）を用いる。
• 急激な負荷変動時における電力吸収または供給を実現するため、船載発電機とエネルギー貯蔵システム（ESS）を統合する。
• 電圧および周波数の安定性を維持しつつ、発電機のランレートとESSの使用量を最小化する最適化問題を定式化する。
• 発電機、ESS、および高ランレート負荷を含む船の電力システムの動的モデルを用いて、正確な予測を実現する。
• 現在の測定値に基づき制御入力を継続的に更新するため、再びホライズンアプローチを用いてリアルタイム制御を実装する。
• ハードウェアインザループテストを用いた縮尺モデルの仮想電気船電力システム上で、制御戦略を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてエネルギー貯蔵システムを発電機と最適に連携させ、高出力ランレート負荷による船の電力システムの不安定化を緩和できるか？
• RQ2 過渡的で高動的負荷状態下でも、安定した電圧および周波数運転を確保するための制御戦略は何か？
• RQ3 急激な負荷変動時における発電機のランレートとESSの応力低減に、モデル予測制御はどの程度効果的か？
• RQ4 提案されたMPCに基づくエネルギー管理方式は、スケールダウンされた船の電力システムで実用的かつ検証可能か？

主な発見

• MPCに基づくエネルギー管理方式は、高出力ランレート負荷イベント中において、システムの安定性を成功裏に維持し、電圧および周波数のずれを防止した。
• 従来の制御戦略と比較して、発電機のランレートが顕著に低減され、システムの耐久性と信頼性が向上した。
• エネルギー貯蔵システムはピーク電力需要を効果的に吸収し、急激な負荷遷移時の発電機へのストレスを低減した。
• シミュレーションおよび実験結果から、縮尺モデル実験プラットフォーム上での提案制御アプローチの実現可能性とロバスト性が示された。